Fundamentos de la Química: Un enfoque integral by Editorial SL

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Este libro es una narración de la técnica de todo aquello; del esquema conceptual que originó esta ciencia, relatado en ocasiones como una historia que pretende llevar al lector al entendimiento universal de cada idea; pero, sobre todo, a su práctica y aplicación, esto es, a la química, con un enfoque integral.

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Quizás, sin esa chispa de magia y de imaginación, la química jamás hubiese existido. Es decir, ¿cómo habría descrito Demócrito, sin elementos imaginativos y racionales, el átomo con tanta precisión sin haberlo visto jamás, sin haber escuchado de él? La química, más allá de ser una ciencia de dogmas rígidos, ha crecido, a lo largo de su historia, con muchas sutilezas, imaginación, experimentación y racionalización.

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La química, que un día fue arte, mística y magia, hoy es la ciencia que describe la composición de la materia, su estructura y sus cambios. Es la ciencia de «todo». Desde la energía que mantiene la vida, hasta las explosiones estelares, pasando por las primeras reacciones reconocidas por el hombre, como la combustión y las sensaciones humanas, la luz, el color.

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Créditos: Kayla DeAnn Graves

ACERCA DEL AUTOR Rodolfo Monterroso, Ph. D. Ingeniero químico, Universidad del Valle y Universidad de Wyoming, ha trabajado extensamente en la investigación en ingeniería química en procesos catalíticos de gasificación y, sobre todo, en la reducción de contaminantes industriales a través de procesos fisicoquímicos. Es fundador de Pollution Control Technlogies, LLC donde labora actualmente. Su trabajo en investigación ha producido varios artículos científicos, patentes de invención, capítulos de estos temas en libros y, más recientemente, su trabajo ha sido premiado con fondos para investigación y desarrollo por parte del Instituto Nacional de Salud en Estados Unidos, a través del Instituto de Investigación de Servicios de Salud Ambiental (NIH, NIEHS por sus siglas en inglés), para implementar un proceso químico que tiene como fin reducir las emisiones de mercurio provenientes de plantas de generación eléctrica a base de carbón utilizando el material de desecho de las plantas. Este proceso ha pasado del laboratorio a la comercialización industrial y está siendo utilizado en plantas de generación en Estados Unidos. El doctor Monterroso ha participado en múltiples temas educativos y es autor del libro Estadística descriptiva con aplicaciones inferenciales; además ha impartido clases de química e ingeniería química, incluyendo cursos de maestría en las Universidades Rafael Landívar y Del Valle, en Guatemala.

EQUIPO DE PRODUCCIÓN

GLORIA ALBERTO

JOSÉ MENA

PIZOTESOFT

Dirección de operaciones

Dirección de mercadeo

Programación

MARTHA GARZÓN Asistente de producción

WHO STOLE MY PANCAKES Diseño gráfico

SANDRA SORIANO Corrección y estilo

1 CAPÍTULO Fundamentos de la Química

1.1 La química como ciencia y sus ramas 1.2 El método científico 1.3 Cifras significativas 1.4 Sistemas de medidas y factores de conversión

¿De qué está hecho el enamoramiento? Lo llamamos enamorarse, después de todo, eso es lo que parece, ¿no es así? Pero ¿qué es? Quizás no lo sepas, pero esa sensación que denominamos «estar enamorado» es, en buena medida, ocasionada por una mezcla de compuestos químicos generados en nuestro cerebro. Quizás de ello provenga la expresión «entre nosotros hay química». Veamos cómo funciona. Supongamos que hay alguien del colegio que te gusta. Tú ves a la persona y de inmediato sientes mariposas en el estómago. Sientes, que caminas sobre las nubes, que los días son mejores, hasta los colores se ven más brillantes. Pues bien, déjame contarte que todo eso que experimentas: el cosquilleo en el estómago, sentirte como en las nubes y el cielo más brillante, son consecuencias de una serie de reacciones químicas. En el caso de la atracción y el enamoramiento se conoce muy bien lo que nuestros cerebros producen, o mejor dicho, sintetizan ciertas sustancias químicas llamadas neurotransmisores, las cuales transportan señales eléctricas para lograr una función determinada,

Fuente: Dreamstime

en este caso, nos provocan la sensación de estar enamorados. Desde una perspectiva bioquímica, la atracción, el amor y las relaciones interpersonales (al menos la mayoría) se pueden explicar a través de tres etapas fundamentales: el deseo, el apego y la preferencia de pareja, en Imagen 1.1 Oxitocina las cuales se presentan Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons distintas mezclas de neurotransmisores. En la primera etapa, el deseo y atracción, el proceso está gobernado por una respuesta hormonal ante el estímulo; es decir, producción de testosterona y estrógeno. Estas hormonas preparan el camino para la etapa de atracción, en la que los científicos consideran que hay cuatro neurotransmisores principales: la adrenalina, el cortisol, la dopamina y la serotonina. La adrenalina y el cortisol son los neurotransmisores responsables de la respuesta ante el estrés y están presentes cuando enfrentamos algún peligro, por ejemplo, cuando alguien se lanza con paracaídas de un avión o cuando vas en un auto a toda velocidad. CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

Estos transmisores crean las conexiones internas para que tu cuerpo responda velozmente y de manera adecuada ante una amenaza percibida. Cuando experimentas atracción por alguien más, el resultado de la presencia de adrenalina y cortisol en tu cuerpo, es que tus palpitaciones se aceleran, experimentas sudoración, sientes la boca seca. En palabras sencillas: te pones nervioso, ¿te ha pasado? Sin embargo, la experiencia de estar enamorado no es solo una respuesta ante el estrés, implica una serie de sensaciones placenteras. Me refiero a las que son causadas por la dopamina. Este compuesto químico estimula las sensaciones de deseo y recompensa, una experiencia muy satisfactoria. Se dice, de hecho, que el efecto de este neurotransmisor causa sensaciones muy parecidas a las provocadas por algunas drogas. Las consecuencias de la presencia de dopamina son: niveles más altos de energía, menor necesidad de comida o sueño, mayor capacidad de enfoque,y un deleite particular en cada detalle de esta nueva relación; es decir, las mariposas en el estómago y sentir que uno camina en las nubes. Este extenso coctel de químicos no solamente altera tu estado de ánimo. Se ha observado que su presencia puede cambiar sustancialmente la forma en la que procesas la información y la manera en que piensas. De hecho, en las relaciones duraderas, es este estado de

percepción positiva de una pareja, el que permite entrar a la siguiente etapa: la del apego. Durante esta etapa, se ha observado una alta presencia de oxitocina y vasopresina. La oxitocina es el neurotransmisor responsable del apego entre padres e hijos y de la comunicación entre distintas partes del cerebro en las que se establecen los vínculos entre las personas (a mayor presencia de este compuesto, mayor probabilidad de formar el vínculo). Estos dos neurotransmisores, la vasopresina y la oxitocina, están presentes en el proceso de preferencia de pareja; estos se presentan en mayor cantidad cuando estamos frente a la pareja que preferimos. La química está presente cuando te enamoras de alguien, cuando mantienes un vínculo duradero, cuando piensas, cuando sientes; ¡los compuestos químicos están en todo! La química no se limita a nuestro cuerpo o a nuestras relaciones. Observa el papel de este libro, las lámparas del cuarto, la energía lumínica del sol, las partes de una computadora, los procesos que nos permiten vivir o los que nos permiten mover los vehículos para transportarnos. En realidad, todos los materiales en el universo están directamente conectados al estudio de la química. En este curso, te introduciremos a esta fascinante ciencia que quizás te proporcione una nueva perspectiva de las cosas.

Fuente: https://happsters.files.wordpress.com

Imagen 1.2 Testosterona Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

1.1

La química como ciencia y sus ramas

La química es la ciencia que estudia la composición, La química estudia la estructura y propiedades composición, estructura y de la materia, al igual que propiedades de la los cambios que esta materia, al igual que experimenta durante las sus cambios durante las reacciones químicas y su reacciones químicas. relación con la energía. La química estudia muchos aspectos del mundo que nos rodea, que van desde por qué sufrimos enfermedades y cómo curarlas, la creación y análisis de productos industriales, como los alimentos, hasta la manufactura de sustancias eficientes para distintas aplicaciones de la vida diaria, entre muchas otras cosas. Por eso, veremos cómo se subdivide esta ciencia. Los cuatro campos principales en los que se organiza la química son: Química orgánica, estudia todos los compuestos con carbono procedentes de seres vivos o que son parecidas a las presentes en ellos, tanto naturales como artificiales. Química inorgánica, estudia los demás elementos y sus compuestos que no contienen enlaces carbono-carbono, ni carbono-hidrógeno.

Imagen 1.3 Representación tridimensional de una molécula orgánica, el benceno Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

Química física o fisicoquímica, estudia los principios de la química, es decir, la medición de fenómenos químicos, interpretación de las leyes y el análisis de las mismas. Química analítica, estudia la medición de cantidad de sustancias y su identificación, se divide en varias ramas: Cualitativa: Identifica las sustancias. Cuantitativa: Cuantifica la cantidad de sustancias. Biológica: Analiza los fenómenos en los seres vivos. Industrial: Aplicada a los procesos de fabricación de productos.

Además de la clasificación en estas cuatro grandes ramas, la química se clasifica de acuerdo a su uso en: Química teórica: Estudia las propiedades de los elementos y compuestos, y cómo estos deberían reaccionar en base a modelos matemáticos y la medición de cantidades. Bioquímica: Estudia los procesos químicos de los seres vivos. Ingeniería química: Abarca el desarrollo y estudio de los procesos industriales. Química farmacéutica: Se enfoca en el desarrollo y aplicación de nuevos medicamentos y fármacos. Química nuclear: Estudia los fenómenos que se relacionan con la formación y desintegración de los átomos. Química cuántica: Abarca la aplicación de fundamentos y principios de mecániImagen 1.4 Columna de destilación Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons ca cuántica a la química. Química verde: Consiste en la aplicación de procesos ecológicos en la fabricación de productos industriales.

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

artículo

Bases de la química, la filosofía griega y la alquimia La química es una ciencia compleja que ha evolucionado a lo largo de la historia. Algunos de los primeros indicios de manipulación controlada de la composición de la materia (es decir, de cambios químicos controlados y no como resultado del azar), la podemos encontrar, aproximadamente, un millón de años atrás, con las primeras producciones de fuego, utilizado para cocinar alimentos, resguardarse de animales salvajes y calentarse en refugios.

Imagen 1.5 La producción de fuego es una de las primeras reacciones químicas manipuladas por el hombre Fuente: http://www.sxc.hu/photo/1359574

El Antiguo Egipto es, quizás, la primera civilización que utilizó ampliamente la química de forma práctica. De hecho, el nombre «química» se deriva del nombre de este pueblo. Los egipcios realizaron prácticas como el teñido de telas, manufactura de cerámica y vidrio, extracción y manejo de metales para hacer utensilios y armas, elaboración de insumos de aseo personal y embellecimiento (como pasta de dientes y tinte para el

cabello), entre muchas otras. Aún así, no existen indicios de que este conocimiento se basara en algo más que el aprendizaje empírico. Años más tarde, y como parte del desarrollo cultural que prosiguió al establecimiento de ciertas comunidades en lugares específicos, algunos pensadores comenzaron a cuestionarse acerca de la composición y el funcionamiento de la materia. En la Antigua Grecia, esta línea de pensamiento estableció las primeras bases registradas de lo que hoy conocemos como química. Se cree que en el siglo IV a. C. el filósofo Empédocles afirmó que las raíces fundamentales de las cosas eran la tierra, el aire, el agua y el fuego, y lo que existía en el mundo era resultado de distintas combinaciones de ellas. Más tarde, Aristóteles llamaría a estas raíces elementos, en Atenas. Él afirmaba que la materia está constituida de forma continua, sin espacios entre sus partes. Simultáneamente, entre los años 480 a. C. y 370 a. C., otros filósofos plantearon la teoría de partículas pequeñas e indivisibles, definida como atomismo. De hecho, la palabra átomo proviene del griego, y significa «que no se puede

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

dividir». En Europa, durante la Edad Media, la doctrina aristotélica fue mantenida por Guillermo de Conches, quien defendía la existencia de la continuidad en la materia y sus divisiones, es decir, que de acuerdo a la teoría de Aristóteles, las partículas de la materia podrían dividirse infinitamente. La edad media occidental, conocida como la época del oscurantismo, se vio caracterizada por un escaso desarrollo científico. Por eso, durante el Medioevo, los principales desarrollos relacionados con la

Imagen 1.6 En el antiguo Egipto también se realizaron importantes descubrimientos relacionados con la química Fuente: http://www.pisceandelusions.org/reference/alchemy/images/egyptplant.gif

Imagen 1.7 Jabir Ibn Hayyan (Geber): Considerado el padre de la química, introdujo el método científico y experimental en la alquimia

Imagen 1.8 Tabla de símbolos de la alquimia de Basil Valentino, en su libro, El último Deseo y Testamento, 1670

Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

química se realizaron fuera de Europa. Sobre todo en los países árabes, como parte de una práctica oculta y de carácter esotérico, o mágico, conocida como alquimia. La alquimia se vincula con la química moderna por el uso y manipulación de distintos materiales, aunque este no era su fin, sino únicamente un medio. La principal ambición de los alquimistas era convertir metales como el plomo y el hierro en oro, usando para ello la piedra filosofal, la cual, además, tenía la propiedad de producir el elíxir de la larga vida, que daba, a quien lo bebiera, juventud eterna y riqueza

incalculable. Este deseo llevó a los alquimistas a realizar importantes descubrimientos relacionados con la composición de los materiales y sus cambios; es decir, a contribuir con la química. Ellos realizaron las primeras documentaciones de este estudio con base en la experimentación y repetición, algo que actualmente conocemos como parte del método científico. Puesto que la alquimia no era afectada por las doctrinas de la Edad Media, se alejó de las concepciones aristotélicas y dividió los elementos con base en sus propiedades mediante un sistema conocido como la «tría prima»: el mercurio, que

representa el carácter metálico y la volatilidad; el azufre, que poseía la cualidad de ser combustible; y la sal, que poseía las cualidades de ser sólida y soluble. Los libros de alquimia fueron escritos de forma simbólica, para que las personas comunes no accedieran a su conocimiento, considerado sagrado o mágico. Los alquimistas ocultaban su profesión y tendían a ser muy cerrados, por lo que la alquimia avanzaba de manera lenta. Aún así, sus aportes, que representaron un enorme progreso, incluyen: instrumentos de laboratorio, descubrimientos de aleaciones, y mucho más.

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

1 RESUMEN Responde las siguientes preguntas: La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia. La química está relacionada con la investigación y desarrollo de productos industriales, alimenticios, ecológicos y farmacéuticos, entre otros. Se divide en cuatro campos principales, que son: Química orgánica: Estudia los compuestos con carbono. Química inorgánica: Estudia compuestos sin enlaces carbono-carbono. Fisioquímica: Estudia los fenómenos químicos e interpretaciones de leyes. Química analítica: Estudia las mediciones de cantidades de sustancias. Los primeros usos controlados de reacciones químicas, como la combustión, se remontan un millón de años atrás. Pero fue hasta que las sociedades se establecieron en localidades definidas, que algunos pensadores conceptualizaron la naturaleza de la materia. En la Antigua Grecia, se documentaron estas ideas. Por ejemplo, Empédocles afirmaba que las raíces de las cosas eran la tierra, el fuego, el aire y el agua, con sus distintas combinaciones. Aristóteles acuñó el nombre de elementos para las partes de la materia y dijo que estaba compuesta de forma continua, mientras que otros filósofos plantearon la teoría de pequeñas partículas indivisibles. Durante la época oscurantista, la alquimia, principalmente en los pueblos árabes, realizó importantes contribuciones al estudio de los materiales.

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

s cuatro campos 1. ¿Cuáles son lo e se organiza la principales en los qu da uno de ellos. química? Explica ca de la química que 2. ¿Cuál es la rama os químicos en los estu dia los proces seres vivos? ica verde? 3. ¿Qué es la quím no mbre que dio 4. ¿Cuál fue el íces que planteó Aristóteles a las ra Empédocles? jetivo principal de 5. ¿Cuál era el ob la alquimia?

Lección 1 Capítulo 1

1.2

El método científico

1.2.1 Desarrollo del método científico En la química, al igual que el resto de ciencias fácticas2, se utiliza la observación y análisis de fenómenos naturales para validar los postulados. Esto se lleva a cabo empleando el método científico. A continuación nos centraremos en conocer su origen.

La ciencia es un conjunto de conocimientos y leyes ordenados acerca del funcionamiento del mundo que nos rodea. Por esta razón, los científicos, a lo largo de la historia, se han preocupado por establecer métodos que les permitan aportar al conjunto de conocimientos. En la Antigua Grecia, Platón y Aristóteles propusieron seguir ciertos pasos para llegar a un fin propuesto en el conocimiento de un tema. Junto con las ideas de Sócrates, estos filósofos propusieron una serie de razonamientos filosóficos, matemáticos y lógicos que se utilizarían más adelante en la ciencia. El desarrollo del método, sin embargo, lo encontramos, inicialmente, en la Edad Moderna, con René Descartes, quien creó un procedimiento específico para «dirigir bien la razón y buscar la verdad en las ciencias». Otros precursores notables del método científico fueron los científicos Leonardo da Vinci, Kepler, Galileo y Copérnico, quienes con sus investigaciones desligaron a la ciencia de la religión y la superstición. Posterior a ello, Sir Francis Bacon (1561-1626) se encargó de arraigar el método e instituir el empirismo (teoría que prioriza el valor de la experiencia, unida a percepciones sensoriales, para formar el conocimiento) como una forma de hacer ciencia. A partir de su proposición, se inició la evolución de ciencias baconianas, como el magnetismo y la electricidad, además de avances importantes en las ciencias físicas clásicas y las ciencias biológicas.

Imagen 1.9 René Descartes Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

Posterior al gran movimiento baconiano, David Hume (1711-1776) afirmó que siempre existe un momento de suposición y que no todo el quehacer científico puede ser puramente empírico. Con ello, propuso un nuevo paso para el método: la formulación de teorías. Según su planteamiento, las suposiciones son guías para llegar a las causas de un fenómeno y no pueden ser excluidas. En el siglo XIX, Robert Koch (1843-1910) propuso un procedimiento para el estudio de enfermedades infecciosas y lo dividió en pasos que aseguraran un diagnóstico acertado. El procedimiento era el siguiente: el microorganismo infeccioso presente en casos de una enfermedad específica no debe estar presente en caso de enfermedades distintas y, de ser posible, deben realizarse pruebas que inyecten el microorganismo a un animal sano, para verificar si es, en efecto, causante

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

1.2.2 ¿Qué es el método científico? ¿Alguna vez te has preguntado cómo se han realizado los grandes inventos?, ¿cómo se han creado las curas para enfermedades tan comunes como una infección de garganta? o ¿cómo se han inventado tantos productos? Algunos descubrimientos surgieron por accidente, pero son excepciones. La mayoría de los inventos que disponemos actualmente son el resultado de prolongadas investigaciones y pruebas.

Imagen 1.10 David Hume Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

de la enfermedad que se le atribuye. Con esto sentó las bases de la experimentación en el método científico. Durante el siglo XX, Karl Popper (1902-1994) rechaza la posibilidad de elaborar leyes mediante la inducción, y propone que, en realidad, estas leyes son, más bien, hipótesis formuladas por el científico. Según Popper, las hipótesis generadas mediante el método inductivo de interpolación3 se emplean para elaborar pronósticos de fenómenos específicos. Después de ello, Paul Feyerabend (1924-1994), en su libro La ciencia en una sociedad libre desarrolló una teoría que proponía que «la ciencia no es superior por su método ni por sus resultados, no hay un método especial infalible». A raíz de estas ideas y propuestas de distintos pensadores, se definen hoy las partes específicas del método científico. Pero recuerda, el método científico no es completamente universal. De hecho, el pensamiento científico se basa en el cuestionamiento, por lo que cualquier método que pretenda obtener como resultado una verdad absoluta, hace referencia a algo muy distinto de la ciencia.

CAPÍTULO 1 Fundamentos de la química

De hecho, se ha establecido un procedimiento para obtener El método científico es resultados comprobables en un proceso que se lleva el mundo de la ciencia. Se a cabo para establecer trata del método científico, relaciones entre los un proceso que se lleva a cabo fenómenos, sus para establecer relaciones causas y consecuencias. entre los fenómenos, sus causas y consecuencias. Además, se utiliza para enunciar teorías que puedan explicar estos fenómenos y que al ser demostradas, se transformen en leyes que expliquen el mundo que nos rodea. Antes de utilizar el método científico, se acumulaba el conocimiento de forma empírica. Es decir, únicamente a través de la experiencia. Con este proceso se generaban conclusiones equivocadas muchas veces. El método científico es una guía para los investigadores y científicos, que sirve para desarrollar conocimientos más consistentes sobre el funcionamiento de las cosas en la naturaleza. Los pasos generales del método científico son: 1. Observación 2. Reconocimiento del problema 3. Formulación de hipótesis y generación de posibles soluciones 4. Experimentación controlada 5. Prueba de las hipótesis y análisis de resultados 6. Conclusiones y desarrollo de teorías

3 CAPÍTULO ¿Qué hay en una estrella? Nosotros mismos. Todos los elementos de nuestro cuerpo y del planeta estuvieron en las entrañas de una estrella. Somos polvo de estrellas. Ernesto Cardenal

¿QUÉ HAY EN UNA ESTRELLA? Piensa por un momento en las partes de las cosas que tienes cerca. ¿Cuáles son los elementos más pequeños de este libro? ¿Serán las letras, o los retazos minúsculos en los que puedes cortar las hojas? ¿Cuáles son los fragmentos más pequeños de tu cuerpo? ¿De qué estás compuesto? ¿De qué están compuestas todas las cosas en el mundo? ¿De qué están hechas las estrellas? ¿Qué hay de los componentes del resto de cosas que hay en el universo? Por un momento, imagina la partícula más pequeña que hayas visto en tu vida. ¿Es acaso un grano de polvo? ¿De qué tamaño crees que es? Si dividieras ese grano de polvo tanto como te fuera posible, ¿hasta qué punto crees que se podría llegar? ¿Crees posible que haya una parte tan pequeña de ese grano que sea indivisible? No somos los primeros en tener esta inquietud. En la Antigua Grecia, en el año 460 a. C., el filósofo y matemático Demócrito1 planteó una serie de postulados que se conocen como la primera teoría atómica. Años antes de la teoría de Demócrito, otros filósofos griegos también se interesaron por la composición de la materia. Tales de Mileto fue el primero en proponer una idea al respecto. Supuso que todas las cosas del universo estaban hechas de agua, pues pensó que era lo que más

LA TEORÍA ATÓMICA

3.1 La teoría atómica moderna 3.2 Estructura atómica

abundaba (no sería de extrañar que viviera a la orilla del mar). Anaxímenes, otro pensador de esta época, propuso que el aire era la sustancia formadora de todo. Luego, el filósofo Heráclito de Éfeso, quien observó que todo en la vida era un constante cambio, pensó, por lo tanto, que la sustancia más cambiante era el fuego. Recordemos un par de citas famosas acuñadas por él: «El universo es fuego eterno, que con medida se enciende y con medida se apaga» y «Nadie se baña dos veces en el mismo río»; ambas, hacen referencia al constante cambio que hay en todas las cosas. Posteriormente, Empédocles llegó a la conclusión de que no debía ser necesariamente solo un elemento la parte más pequeña de todas las cosas, sino todos los anteriores; y propuso uno más: la tierra. Además, determinó que cada uno ocupaba un lugar en el orden de las cosas en el universo. Estableciendo una jerarquía, los ordenó de la siguiente forma: fuego, aire, agua y tierra. La búsqueda continuó con Aristóteles, quien propuso el esquema mostrado en la imagen 3.2 de acuerdo a la teoría de Empédocles. En este esquema, las sustancias que forman las cosas, según Aristóteles, se combinan para formar nuevas propiedades: humedad, calor, sequedad y frío. Es decir, Aristóteles suponía que cualquier sustancia que produjese calor venía del fuego, o de alguna combinación entre este y otros elementos; lo mismo aplicaba para

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

los demás elementos y sus características. Además de estas, añadió un componente más: el éter, perfecto e inmutable componente de los cielos. Recuerda que estos filósofos basaban sus teorías en la observación directa de los sucesos naturales, que es, en general, una parte primordial de la formulación del conocimiento científico.

Quizás, a raíz de estas ideas, Demócrito pensó Imagen 3.1 Demócrito meditando sobre el alma (Démocrite que debía existir una méditant sur le siège de l’âme), estatua por Léon-Alexandre Delhomme unidad fundamental de Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons la composición de la materia. Para ello se basó en el siguiente razonamiento: «Si tengo un trozo de materia —el que sea— y comienzo a partirlo en pedazos cada vez más pequeños y vuelvo a partir los pedazos que me queden una y otra vez, llegará el momento en que tenga partículas que ya no se podrán partir más».

John Dalton propuso su propia teoría atómica. Hasta entonces, se consideraron las teorías de Aristóteles como verdades absolutas, ideas que perduraron por más de veinte siglos. Esto nos lleva a la siguiente pregunta: ¿cuántos razonamientos hemos aceptado, y aceptamos normalmente como válidos, únicamente porque así nos lo han dicho? El pensamiento científico consiste, precisamente, en cuestionarse las cosas para determinar su validez. El verdadero pensamiento científico no consiste únicamente en aprenderse miles de postulados y teorías, ni necesariamente aceptarlos como verdades absolutas, sino más bien, del cuestionamiento al respecto de la naturaleza de las cosas, del cuestionamiento de los postulados anteriores, del uso del juicio y la lógica para determinar qué tan válidos son los conocimientos adquiridos. La ciencia, a lo largo de la historia, ha sido muchas veces subversiva. Si hay alguna idea establecida con la que no estés de acuerdo, te insto a cuestionarte, razonar, observar, investigar, validar y comprobar tus suposiciones, quizás llegues a una conclusión distinta en tus ideas.2 Es importante saber que las teorías griegas no fueron las únicas al respecto de la composición de la materia y, en general, de lo que hoy conocemos como química. El estudio de estos temas existió también en la India, Egipto

A estas partículas, las llamó átomos, término que etimológicamente significa «sin partes» o «indivisibles» (de a, ‘sin’ y tomos, ‘partes’). Entonces, supuso que todo debía estar formado por pequeñas partes indivisibles, y que las diferencias en las cosas se debían, sobre todo, a los distintos átomos que las formaban y su disposición. Así, podemos decir que Demócrito, a través de sus razonamientos, explicó la composición de las cosas con base en lo inmutable y lo cambiante, al igual que sus predecesores, con la diferencia de que, en su propuesta, los átomos eran los inmutables y las combinaciones de ellos lo cambiante. Esta teoría, además, está más próxima a la teoría atómica que se maneja en la actualidad. A pesar de ello, la teoría atómica que propusieron no fue tomada en cuenta sino hasta el siglo XIX, cuando Imagen 3.2 Descripción de los cuatro elementos clásicos y sus características Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

y el Medio Oriente, por mencionar algunos lugares de donde se tienen documentaciones. La composición de las cosas es una inquietud que ha existido desde siempre en la razón humana.

3.1

La teoría atómica moderna

3.1.1 La ley de la conservación de la masa Para a entender cómo se desarrolló el modelo atómico moderno, debemos comprender el contexto científico del siglo XVIII, el cual dio lugar a que se desarrollara durante esos años la primera teoría atómica con bases en la experimentación científica. En el capítulo 1, vimos que algunos de los más importantes desarrollos del método científico se dieron entre los siglos XVI y XVIII, gracias al pensamiento empirista y al uso de la experimentación en la ciencia. Además, muchas de las ideas responsables de diferenciar la química como ciencia provienen de razonamientos antiguos que no habían sido verificados hasta que se desarrollaron métodos más robustos de investigación (tanto el desarrollo del método científico como la existencia de razonamientos, que explicaban los fenómenos de la materia de manera coherente, dieron inicio a la química de manera formal entre los siglos XVI y XVIII). Un ejemplo importante es la siguiente idea suscitada en la Antigua Grecia: «Nada proviene de nada, así que lo que existe hoy, siempre ha existido; ningún material nuevo existe de donde no existía ninguno previamente». Empédocles lo citó así: «Pues es imposible que cualquier cosa aparezca de donde antes no era y no puede ser, o ha sido escuchado que lo que es pueda ser completamente destruido». Sin embargo, hubo siglos de oscuridad en cuanto a este concepto y la teoría atómica, pues las observaciones cotidianas, no brindaban soporte a estas ideas.

No fue sino hasta el siglo XVIII, y gracias a los métodos experimentales e instrumentos de medición, que tanto Mikhail Lomonosov, en 1748, como Antoine Laurent Lavoisier, en 17743, pusieron en duda (cada uno por su cuenta) la hasta entonces aceptada teoría del flogisto sobre la combustión, para dar paso a la ley de la conservación de la masa. En esencia, la teoría del flogisto, postulada por el alquimista Joachim Becher y defendida por el médico y químico alemán Georg Ernst Stahl, indicaba que un elemento similar al fuego, denominado flogisto, se contenía dentro de los cuerpos combustibles y se liberaba durante la combustión. La teoría se basaba en la creencia de que al quemar cualquier material el residuo pesaba menos que el cuerpo original. Por ejemplo, si quemas una hoja de papel las cenizas pesan mucho menos que la hoja.

Lección 1 Capítulo 3 La idea de la conservación de la masa no se aceptó, durante milenios, porque no se conocía acerca del peso de los gases. Imagina cómo resolver este problema hace 1000 años, con apenas una balanza. Quizás por ello, lo más aceptado era pensar que la materia se destruía. Para refutar estas ideas se necesitó de cuidadosos experimentos que no fueron posibles sino hasta que se tuvo instrumentos más precisos. Un ejemplo de ello fue la oxidación de metales adentro de un recipiente de vidrio cerrado. En ese caso, se observó que la reacción química no alteraba el peso del contenedor ni sus contenidos. Por su parte, Lavoisier calcinó metales y observó que el peso de estos se incrementaba siempre después de que la calcinación los transformase en cales (óxidos4), esto le llevó a interesarse por el peso del aire. Lavoisier es considerado actualmente el padre de la química moderna debido a sus aportes a esta ciencia. En sus experimentos con fósforo y azufre, los cuales se queman fácilmente, Lavoisier demostró que el peso del sistema se incrementaba cuando se combinaban

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

estas sustancias con aire. Con cal de plomo logró capturar grandes cantidades del aire que era liberado cuando la cal se calentaba. A Lavoisier no le parecía que esto fuese explicado por el flogisto. Pero a pesar de haberse percatado de que la combustión requería aire, la composición exacta del mismo era desconocida en ese momento. Sin embargo, cuando el filósofo natural Joseph Priestley se reunió con Lavoisier para discutir otros hallazgos similares le comunicó que, al calentar cal de mercurio (hoy conocido como óxido de mercurio) y recolectar un gas en el cual una candela se quemaba vigorosamente, notó que este «aire puro» aumentaba la respiración y hacía que las candelas se quemasen por más tiempo pues, según él, este estaba libre de flogisto. Priestley llamó a este aire: «aire deflogisticado».

Imagen 3.4 Laboratorio de Antoine Lavoisier en el Museo de las artes y oficios (Musée des Arts et Metiers) Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

contenían este «aire respirable». Lavoisier lo llamó oxygène, que en griego significa: generador de ácido. Sus conclusiones dieron soporte no solo a las teorías que se desarrollaron durante esos años, sino a toda la química moderna. Como resultado de su investigación se obtiene el siguiente enunciado: «En una reacción química ordinaria, la masa permanece constante; es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos», popularmente conocido como: «La materia no se crea ni se destruye, solo se transforma».

3.1.2 Teoría atómica de John Dalton Imagen 3.3 El famoso experimento del flogisto de Antoine Lavoisier tomado de su Tratado elemental de química. Con este esquema, Lavoisier demostró que el aumento de peso correspondiente a la formación de un óxido metálico equivale a la pérdida de peso (del oxígeno) de cierto volumen de aire, pues el recipiente que contiene el aire que normalmente se escaparía puede pesarse en la cámara del lado derecho. De esta manera se dejó del lado la teoría del flogisto. Fuente: http://twistedphysics.typepad.com

Estos hallazgos intrigaron a Lavoisier quien repitió los experimentos de Priestley con mercurio y otras cales. Concluyó, a raíz de aquello, que el aire común no era una sustancia simple. Más bien, argumentó que el aire tenía dos componentes principales: uno que se combinaba con el metal y ayudaba a la respiración, y otro, asfixiante, que no participaba en la combustión o ayudaba a respirar. De esta forma, Lavoisier propuso su teoría que excluía el flogisto. Determinó que la combustión era la reacción de un metal, o una sustancia orgánica, con la parte del aire común a la que él llamó «eminentemente respirable». Poco después, anunció que la mayoría de ácidos

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

Tanto las comprobaciones experimentales del siglo XVIII, como los intentos por explicar la composición de la materia a través de un modelo atómico, conformaron las bases de la teoría atómica moderna. La teoría de Demócrito no fue tomada en serio durante más de 2000 años. Durante ese tiempo, la teoría acerca de la composición de la materia más aceptada en el mundo occidental fue la teoría de la continuidad de la materia propuesta por Aristóteles, en la que se consideraba que la materia podría seguir dividiéndose indefinidamente. John Dalton, un químico, meteorólogo y físico inglés, después de estudiar los fenómenos meteorológicos, publicó sus observaciones en el libro Observaciones meteorológicas y ensayos, en el cual se interesaba por la composición del vapor de agua, de los gases, de las nubes y de otros fenómenos observables. Su interés en

los fenómenos naturales lo llevó a realizar una serie de experimentos con gases. Los fenómenos que observó durante su investigación lo llevaron a pensar que la teoría atómica era la que mejor explicaba por qué el agua absorbía diferentes gases en proporciones distintas. Por ejemplo, observó que el agua absorbe dióxido de carbono mucho mejor de lo que absorbe nitrógeno. Su hipótesis proponía que esto sucedía debido a las diferencias en masa y complejidad de las partículas de los gases. De hecho, fue esta misma observación la que se cree que llevó a Dalton a suponer la existencia de los átomos. En una publicación, referente a la absorción de gas en el agua, publicada en 1805, escribió: ¿Por qué el agua no admite la misma cantidad de cualquier gas? Esta pregunta la he considerado debidamente, y a pesar de que no he sido capaz de satisfacer mi duda, estoy casi convencido de que la circunstancia depende del peso y número de las partículas más pequeñas de diferentes gases.

Lección 2 Capítulo 3 Dalton, entonces, propuso que cada elemento químico estaba compuesto de átomos de un único tipo y que, a pesar de que estos no pueden ser alterados o destruidos por medios químicos, se pueden combinar para formar estructuras más complejas o compuestos químicos. Esto marcó la primera teoría atómica verdaderamente científica, puesto que Dalton llegó a sus conclusiones a través de la experimentación y examinación de los resultados de manera empírica. Para justificar sus suposiciones con respecto a la existencia y comportamiento de los átomos, Dalton, conociendo los desarrollos de la química del momento, se basó en la ley de la conservación de la masa (enunciada por Lomonósov, en 1745 y por Lavoisier, en 1785) y la ley de la composición constante.

Imagen 3.5 John Dalton Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

La ley de la composición constante o ley de las proporciones definidas fue postulada por Joseph Louis Proust en 1799. Esta ley establece que un compuesto químico siempre contiene la misma proporción de elementos en masa; es decir, que todas las muestras de un compuesto tienen la misma composición másica de elementos. Por ejemplo, el peso del agua siempre está compuesto por aproximadaImagen 3.6 Varios átomos y moléculas descritas mente 1/9 de hidrógeno por Dalton en su libro Un nuevo sistema de y 8/9 de oxígeno; lo que filosofía química (1808) Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons se observó para todas las muestras de un mismo compuesto. Esto quiere decir que el agua contiene dos átomos de hidrógeno (H) por cada átomo de oxígeno (O), un hecho que puede representarse en la fórmula química: H2O.

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

Tras sus observaciones, Proust escribió: Debo concluir deduciendo de estos experimentos el principio que he establecido al inicio de estas memorias, que el hierro, como muchos otros metales, está sujeto a las leyes de la naturaleza que preceden a cada combinación real; es decir, que une a dos proporciones constantes de oxígeno. En este respecto, no difiere del estaño, mercurio y plomo y, en realidad, de cualquier combustible conocido.

Como corolario de estas ideas, Dalton propuso la ley de las proporciones múltiples en 1803, en la que indica que si dos elementos se unen en varias proporciones para formar distintos compuestos sus átomos se unen en relaciones numéricas diferentes. Por ejemplo, si un átomo del elemento A se une con dos átomos del elemento B, se entiende que la relación en peso de las cantidades de los elementos es de 1:2. Si los átomos de los elementos A y B se unen en otras relaciones numéricas, siempre de números enteros sencillos, se encontrará igualmente una relación sencilla entre las cantidades de los elementos presentes para la generación de un compuesto. Veamos algunos ejemplos. Observa las imágenes:

Imagen 3.7 Joseph Louis Proust Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

Imagen 3.8 Ilustración de la ley de proporciones definidas de Proust

B Imagen 3.9 Ejemplificación de las proporciones múltiples Fuente: https://ehomnick.files.wordpress.com

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

Ambas tazas tienen los mismos ingredientes: café, leche y azúcar; sin embargo, es fácil deducir que en la imagen a) hay más leche que café, mientras que en la b) hay más café que leche. Esto cambia la proporción de los ingredientes y las propiedades de la mezcla, pero los ingredientes siguen siendo los mismos. De la misma manera, el gas dióxido de carbono (CO2) está compuesto de los mismos elementos que el monóxido de carbono (CO); sin embargo, las diferentes proporciones los convierten en gases distintos. Estos razonamientos llevaron a Dalton, en 1803, a plantear los postulados que conforman su teoría atómica: 1. Cada elemento se compone de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.

3. Los átomos de un elemento no se transforman en átomos diferentes durante las reacciones químicas; los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas. 4. Cuando se combinan átomos de más de un elemento se forman compuestos; un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo de la misma clase de átomos. Dalton dio a entender que la materia está compuesta por minúsculos átomos que son los bloques de la naturaleza a los que se refería Demócrito, en los cuales se conserva la identidad química del elemento. Señaló que un elemento está conformado por una misma clase de átomos y que un compuesto es la combinación de dos o más elementos.

2. Todos los átomos de un elemento dado son idénticos; los átomos de elementos diferentes son diferentes y tienen propiedades distintas como su masa.

Imagen 3.10 Ilustración de la ley de las proporciones múltiples propuesta por Dalton

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

3 RESUMEN

En esta sección vimos que la teoría atómica moderna surgió en el siglo XVII a raíz del desarrollo experimental del método científico y de otras ideas previas que explicaban racionalmente la composición de la materia. La ley de la conservación de la masa, a pesar de tener una base racional, tardó en comprobarse pues, por muchos siglos, debido a la dificultad para pesar los gases, se creyó que la materia podía deshacerse cuando se quemaba. Sin embargo, científicos como Henry Cavendish, Jean Ray y Joseph Black propusieron la idea de que este peso no se perdía, sino que correspondía al peso del gas generado. De este modo, tanto Lomonosov como Lavoisier (este último conocido como el «padre de la química moderna») comprobaron esta idea, dejando atrás la hasta entonces aceptada teoría del flogisto. Joseph Louis Proust demostró, también, que los elementos se combinaban en ciertas proporciones definidas únicamente. Estas teorías, además de observaciones propias, llevaron a John Dalton a postular una idea adicional con respecto a las combinaciones de elementos: la ley de las proporciones múltiples. En ella se establece que además de ser definidas las proporciones, existe más de una proporción definida para un conjunto de elementos. Como corolario de lo anterior, y con base en las ideas de la teoría atómica de Demócrito (además de sus propios experimentos), Dalton postuló en 1803 la primera teoría atómica con base en la experimentación.

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

Responde las siguientes preguntas:

e fue tan difícil 1. ¿Por qué crees qu conser vación de la co mprobar la ley de la ente la teoría del masa y se mantuvo vig flogisto? os postularon antes 2. Si bien otros científic la conser vación de que Lavo isier la ley de que es la relevancia la masa, ¿cuál crees ? del aporte de Lavo isier nte la ley de las 3. Explica detalla dame proporciones definidas. nte la ley de las 4. Explica detalla dame s. proporciones múltiple ómica de Dalton. 5. Explica la teoría at

3.2

Estructura atómica

Como vimos en la sección anterior, los métodos instrumentales permitieron a los científicos del siglo XVIII elaborar la primera teoría atómica basada en la experimentación. Como podrás imaginar, los instrumentos de esa época tenían ciertas limitaciones, por lo que hizo falta poco más de cien años para que se desarrollara aún más el modelo atómico. Hasta la época en la que Dalton enunció su teoría, la ciencia había verificado la existencia de partículas muy pequeñas de un mismo tipo e inalterables, pero que se unían con otras partículas de otros tipos, en ciertas proporciones, para formar nuevos compuestos. En la actualidad esta idea sigue siendo válida, pero ¿qué más sabemos de estas pequeñas partículas a las que Demócrito llamó átomos? Para empezar, sabemos que el nombre se mantiene solo por tradición, pues si recuerdas, etimológicamente significa «sin partes» o, en otras palabras: «indivisible» (del griego a, ‘sin’, y tomos, ‘partes’). Pero en la actualidad, sabemos que los átomos están conformados por tres tipos de partículas subatómicas: los protones, los neutrones y los electrones5. ¿Qué se necesitó para entender el modelo como lo hacemos en la actualidad? El desarrollo en la instrumentación y otros descubrimientos tecnológicos independientes de la química fueron la base. Con la tecnología de hoy en día, se pueden tomar fotografías incluso de átomos individuales, pero eso no siempre ha sido así. Veamos cómo hemos llegado a este punto.

3.2.1 Los rayos catódicos y el descubrimiento del electrón Uno de los principales factores en el desarrollo del modelo atómico actual fue el desarrollo científico del estudio de la electricidad. Los fenómenos eléctricos fueron observados y documentados por el hombre

desde el inicio de las civilizaciones, pero su estudio formal no comenzó sino hasta el siglo XVII. De hecho, el nombre proviene de los estudios del científico inglés William Gilbert, en ese siglo, quien observó el efecto de la electricidad estática de una piedra de ámbar, llamada electricus en latín y elektrón en griego, de donde este científico tomó el nombre. Los siglos XVIII y XIX se vieron marcados por muchos avances en el campo de la electricidad gracias a los aportes de varios científicos. Benjamin Franklin describió las cargas eléctricas a través sus experimentos; fue el primero en llamarlas positivas y negativas en el «fluido eléctrico» (como se le conocía en ese tiempo a la electricidad). Otros descubrimientos en este campo durante el siglo XIX fueron: la batería desarrollada por Alessandro Volta en 1800; el reconocimiento del electromagnetismo por parte de Ørsted y Ampère en 1820; el motor eléctrico, en 1821, por Michael Faraday; la conexión entre la electricidad, el magnetismo y la luz por parte de James Maxwell en 1862; y en 1887, Heinrich Hertz descubrió que los conductores eléctricos, denominados entonces electrodos, iluminados con luz ultravioleta, creaban chispas fácilmente. Fueron precisamente estos descubrimientos los que posibilitaron, en 1897, que Sir Joseph John Thomson demostrara, con el ya existente tubo de rayos catódicos, la presencia de la carga negativa dentro del átomo y del electrón. Por cierto, conceptualmente, la carga se refiere a una propiedad que genera simetría continua en un sistema; esto implica la existencia de una corriente conservada; aquello que fluye en la corriente es la carga. Imagina una larga fila de personas que quieren renovar su licencia de conducir; el trámite completo toma cinco minutos y, cada cinco minutos, llega una nueva persona. Así, la fila no cambia en forma o tamaño, aunque se sigue moviendo, y la necesidad de obtener la licencia «fluye» entre las personas, lo que hace que la simetría en la fila se mantenga. La carga, en dicho caso, sería lo que motiva a las personas a estar en la fila y que la fila se siga moviendo.

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

Regresando a las ideas de Thomson, el tubo de rayos catódicos consta de un tubo de vidrio con dos electrodos (los electrodos son conductores eléctricos; es decir, que por ellos fluye energía eléctrica), un cátodo (electrodo negativo) y un ánodo (electrodo positivo) así como se muestra en la figura:

las placas de metal, y observó una desviación o deflexión del rayo hacia el lado positivo, como muestra la imagen (recordemos que cargas iguales se repelen6):

Imagen 3.11 Tubo de rayos catódicos Fuente: http://i.ytimg.com

Imagen 3.12 a. Tubo de rayos catódicos original (sin placas) b. Tubo de rayos catódicos hecho por Thomson (con placas) Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

Recibe este nombre porque el rayo se origina del electrodo negativo. Los rayos catódicos son invisibles al ojo humano, pero ocasionan un brillo fluorescente en ciertos materiales, como el vidrio. Puedes pensar que nunca has estado en presencia de un rayo catódico, pero todos los rótulos fluorescentes y las televisiones antiguas usan este principio y se consideran los rayos catódicos modernos. Thomson desarrolló su propio tubo de rayos catódicos del que extrajo la mayor cantidad posible de aire del interior. Para demostrar la idea de carga negativa, colocó dos placas dentro del tubo para la generación de un campo eléctrico, y dos electroimanes para la generación de un campo magnético. Hizo pasar el rayo catódico a través de

Lección 3 Capítulo 3

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

La deflexión del rayo a través de las placas, hacia el lado positivo, demostraba la existencia de la carga negativa. Thomson construyó otro tubo de rayos catódicos con una pantalla fluorescente, con el fin de poder cuantificar los efectos, tanto del campo eléctrico como del magnético, en el haz de electrones (el rayo catódico). Lo consiguió midiendo la cantidad de calor generado cuando los rayos impactaban una unión térmica dentro del rayo y comparando dicho valor con la deflexión magnética de los rayos. Los valores obtenidos sugerían no solo que los rayos catódicos eran mil veces más livianos que un átomo de hidrógeno sino, además, que su masa era la misma independientemente del átomo con el que se generaban; es decir, independientemente del material del ánodo o del gas adentro del tubo. Con estas mediciones, obtuvo una relación entre masa y 8 carga de 1.76 x 10 Coulomb por gramo (el Coulomb es la medida internacional para la carga eléctrica).

De esta forma, concluyó que los rayos se componían de partículas muy livianas cargadas negativamente, las cuales eran parte fundamental de la composición de todos los átomos. Thomson llamó a estas partículas «corpúsculos»; pero, más adelante, los científicos prefirieron el nombre «electrón», sugerido por George Johnstone en 1891, previo al descubrimiento de Thomson. Este descubrimiento marcó un punto de inflexión en la ciencia, pues se supo, a partir de entonces, que existen partículas más pequeñas que los átomos.

3.2.2 La gota de aceite de Millikan

En 1909, Robert Millikan y Harvey Fletcher obtuvieron nueva información que serviría para desarrollar el modelo atómico al medir la carga de un electrón con su famoso experimento denominado «la gota de aceite de Millikan». El aparato de Millikan, como se muestra en la imagen 3.13, constaba de dos placas cargadas eléctricamente (electrodos), una de ellas con un agujero en el centro; un atomizador para rociar el aceite y un microscopio para poder observar a través de la cámara de niebla. El experimento consistía en esparcir las gotas de aceite y que estas cayeran por medio de la gravedad. Cuando no se aplicó ningún voltaje, midieron la velocidad terminal de la gota. En el momento de velocidad terminal, la fuerza de arrastre se igualó a la fuerza gravitacional y, como se sabía que ambas dependen del radio, Millikan y Fletcher midieron el radio de la gota, lo cual les indicó la masa y la fuerza gravitacional (utilizando la densidad conocida de ese aceite y asumiendo la forma esférica de la gota, pues Vesfera=4/3*πr3 y ρ=m/V). Luego, se aplicó un voltaje ajustable de manera que se indujo un campo eléctrico hasta que las gotas se suspendieron en un equilibrio mecánico, lo que indicaba que la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional se habían balanceado. Utilizando el valor del campo eléctrico emitido, podrían determinar la carga de la gota. Al repetir el experimento, con distintas gotas, observaron que las cargas eran múltiplos enteros de un valor, 1.59 x 10-19 C (lo cual es muy cercano al valor del electrón aceptado actualmente de 1.602 x 10-19 C).

Imagen 3.13 a. Aparato original utilizado para la gota de aceite de Millikan b. Diagrama del aparato de la gota de aceite de Millikan Fuentes: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

El valor de la carga del electrón está relacionado con la cantidad que descubrió Thomson, que relaciona masa con carga. De esta manera, se obtuvo el valor de la masa del electrón:

1.59 × 10 −19 C me− = = 9.03 × 10 −28 g 8 1.76 × 10 C / g

(Ecuación 3.1)

Actualmente, se utiliza un valor más exacto de la masa del electrón: 9.10939 x 10-28 g. Sin embargo, observa que con el experimento de la gota de aceite de Millikan se obtuvo un valor muy cercano.

Proyecto 1 Capítulo 3

CAPÍTULO 3 La teoría atómica

9 CAPÍTULO Reacciones químicas

9.1. Componentes de las reacciones químicas 9.2 Tipos de reacciones químicas 9.3 Reacciones ácido-base 9.4 Factores que afectan a la velocidad de reacción 9.5 Ejemplos de cambios químicos observados en la vida diaria, la naturaleza y nuestro cuerpo

La fotosíntesis, una reacción química que equilibra la vida La fotosíntesis es una reacción en la que la luz solar se convierte en energía química. En este capítulo aprenderemos qué es lo que ocurre en una reacción química; empezaremos con este ejemplo, que se refiere al proceso que da equilibrio a la vida (la fotosíntesis). Observa la reacción de la fotosíntesis:

En ella se combinan seis moléculas de agua con seis moléculas de dióxido de carbono que, con la luz solar como catalizador (ver nota), se convierten en una molécula de glucosa y seis moléculas de oxígeno. Ahora cuenta los átomos de carbono, oxígeno e hidrógeno que hay de cada lado. Te diste cuenta, es la misma cantidad

Fuente: http://www.10wallpaper.com/

de átomos de cada elemento en ambos lados; doce átomos de hidrógeno, dieciocho átomos de Catalizador: oxígeno y seis átomos de carbono sustancia que en cada lado. En una reacción la acelera o retarda una reacción química sin materia se transforma en algo participar en ella. totalmente diferente a lo que le dio origen; sin embargo, se conserva en cantidad, es decir, no se destruye nada, todo se vuelve a recuperar. Esto sucede por la ley de conservación de la materia: «En una reacción química ordinaria, la masa permanece constante; es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos». O de manera simplificada: «La materia no se crea ni se destruye solo se transforma»

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas 281

Así funcionan los procesos biológicos, se utilizan reactivos para convertirlos en productos. Los reactivos, en este caso, son agua y dióxido de carbono; los productos son glucosa y oxígeno. Pero hay algo muy interesante en este proceso, y es que las plantas utilizan agua y dióxido de carbono para producir glucosa y oxígeno. Pero, adivina qué: los seres vivos (del reino metazoa, conocido como animal) utilizamos glucosa y oxígeno para producir agua y dióxido de carbono. Esto quiere decir que la reacción de la fotosíntesis es reversible y que los productos se pueden convertir en los reactivos y viceversa. En la fotosíntesis se necesita de agua y dióxido de carbono para producir azúcares y oxígeno. La reacción inversa, que ocurre en los seres vivos del reino animal, se llama glucólisis y utiliza la glucosa y el oxígeno para convertirlos en agua y dióxido de carbono. Podríamos argumentar que la ley de la conservación de la materia se aplica de manera elegante en los procesos de los seres vivos. Veamos la secuencia de esta reacción en la imagen 9.1.

282

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas

En resumen, la caña de azúcar produce sacarosa, que se obtiene a partir de la producción de glucosa y oxígeno realizada por la fotosíntesis. Luego, la ingieres y ocurren otra serie de reacciones químicas en tu cuerpo, en las que se consume el azúcar para liberar energía. Es un ciclo interesante, ¿no crees? Las plantas necesitan de nuestros desechos para vivir y nosotros necesitamos los productos de las reacciones químicas de las plantas. Como puedes ver, hay un equilibrio maravilloso en todos los procesos y reacciones químicas de la vida. Ahora veremos con más detalle todo lo referente a las reacciones químicas. Imagen 9.1 Reacción de la fotosíntesis ilustrada. La planta libera O2 y produce glucosa C6H12O6 (la glucosa es un tipo de azúcar) como producto de la síntesis de CO2 + H2O + Luz solar. Los seres humanos consumen azúcares y oxígeno producidos por las plantas. Los animales y seres humanos utilizan los azúcares como fuentes de energía. Las plantas utilizan el CO2 y H2O que desechan otros seres vivos (la mayor parte de CO2 que utilizan las plantas proviene de los desechos orgánicos de otras reacciones en la naturaleza y desechos industriales).

9.1

Componentes de las reacciones químicas

9.1.1 ¿Qué son las reacciones químicas? Toda la materia que nos rodea sufre cambios constantes. Por ejemplo, las frutas maduran, el agua se evapora o se congela, el hielo se derrite, las hojas de los árboles se marchitan y, así, ocurren cambios cada segundo. En el capítulo 2 aprendimos las diferencias entre cambios químicos y cambios físicos. Recordemos que los cambios físicos se refieren a cambios de forma pero no de composición, mientras que los cambios químicos se refieren a los cambios de composición para formar nuevas sustancias. Normalmente nos referimos a estos cambios como reacciones químicas.

B. Características de los cambios químicos La materia sufre un cambio en su estructura íntima. Por ejemplo, antes de encenderlo el cerillo es de color rojo, y cuando se quema cambia a gris o blanco. La materia sufre cambios en su aspecto, olor, color y sabor. El papel es de color blanco y tiene cierta textura; cuando se quema se vuelve cenizas, un polvo de color gris que tiene un aspecto totalmente diferente al papel.

A. Características de los cambios físicos La materia no sufre cambios íntimos y puede regresar a su estado original. Por ejemplo, el agua aunque pase de estado líquido a sólido sigue siendo agua. No sufre cambios en el aspecto, como olor, color o sabor. El agua sabe igual aunque este congelada o líquida.

Imagen 9.3 Fuente: http://bethsabeth0410.blogspot.com

En un cambio químico ocurre una reacción química. En una reacción química los enlaces entre átomos que forman los reactivos se rompen y los átomos se reacomodan para formar nuevos enlaces.

Una reacción química es la conversión de una o más sustancias químicas, llamadas reactivos, en otras llamadas productos.

Imagen 9.2 El agua en sus tres fases (Lago Superior). Aunque el agua cambie su estado, no cambia sus propiedades o características. Fuente: https://www.pinterest.com

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas 283

9.1.2 Componentes de las ecuaciones químicas Las reacciones químicas se representan a través de ecuaciones químicas que muestran la conversión de reactivos en productos, su forma general es: REACTIVOS

›

PRODUCTOS

En el lado izquierdo escribimos las fórmulas químicas de los reactivos, la flecha nos indica el sentido que tiene la reacción, y en el lado derecho de la flecha escribimos las fórmulas químicas de los productos. En cada lado de la reacción debe existir el mismo número de átomos de cada elemento, pues recuerda que debe cumplirse la ley de la conservación de la materia.

9 RESUMEN

Cambios en la materia: Toda la materia que nos rodea sufre cambios constantemente, estos cambios se dividen en físicos (cuando no cambia la composición) y químicos (cuando se altera la estructura y la composición); en estos, los reactivos se convierten en productos. Ecuación química: Es la forma de representar una reacción química, en esta se escriben del lado izquierdo los reactivos y del lado derecho los productos. Una flecha entre ambos indica la dirección de la reacción. En cada lado de la ecuación deben existir el mismo número de átomos de cada elemento para que esté balanceada.

284

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas

Responde las siguientes preguntas:

sufre la materia? 1. ¿Qué tipo de cambios cambios físicos de 2. Da dos ejemplos de la materia. cambios químicos 3. Da dos ejemplos de de la materia. se representa una 4. ¿De qué forma reacción química? a en una ecuación 5. ¿Qué indica la flech química?

9.2

Tipos de reacciones químicas

9.2.1 Clasificación de las reacciones químicas de acuerdo a su forma

Ejemplo:

Recuerda que el subíndice (g) denota el estado de los compuestos; en este caso gaseoso.

A. Síntesis o adición Estas reacciones se dan cuando dos sustancias se unen para formar una única sustancia. El formato general de estas reacciones es: A+B

›

Imagen 9.4 Reacción de síntesis. Una forma de ejemplificar la reacción de síntesis es imaginar una pareja: José y Diana no se conocían, pero ahora son novios.

Imagen 9.5 A. Síntesis de amoníaco B. Planta de síntesis de amoníaco Fuente: http://www.havana-live.com

Un ejemplo de una reacción de adición es la síntesis del amoniaco gaseoso. Los reactivos de esta reacción son nitrógeno e hidrógeno en estado gaseoso (ambos elementos dimoleculares). En la industria, el amoníaco se utiliza en fertilizantes, como precursor para compuestos nitrogenados, como limpiador, como agente antimicrobiano para productos alimenticios, como fuente de nitrógeno en industrias de fermentación, entre otros.

Ejemplo: Una forma de producir materiales de construcción es a través del proceso llamado «avivado de cal». En donde se forma hidróxido de calcio Ca(OH)2 a partir de la reacción entre óxido de calcio y agua:

Óxido de calcio + agua = Hidróxido de calcio o cal viva

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas 285

Otros ejemplos: Fe + S → FeS

una reacción se denomina «mecanismo de reacción». La forma general de las reacciones de descomposición es la siguiente: AB

›

A+B

Hierro + azufre = Sulfuro de hierro que se forma por la descomposición de materia orgánica, este tiene olor a huevo podrido.

2 H 2 + O2 → 2 H 2 O Hidrógeno + oxígeno produce agua

H 2 O + CO2 → H 2 CO3 Agua + dióxido de carbono = ácido carbónico Observa que no son únicamente moléculas en su forma elemental las que reaccionan como en el primer ejemplo; también pueden reaccionar compuestos con elementos, o compuestos con compuestos. Por cierto, practica tus conocimientos de nomenclatura e indica el nombre de cada uno de los compuestos de estas reacciones en los distintos sistemas de nomenclatura.

Imagen 9.6 Reacción de descomposición. La pareja (José y Diana) que tenían una muy buena relación tienen un desacuerdo y se separan.

Las reacciones de descomposición se utilizan ampliamente en el análisis químico; es decir, para determinar el tipo de compuestos que componen una sustancia. Esto se logra gracias a que los procesos de descomposición pueden ocurrir cuando se aplica cierta cantidad de energía en distintas formas a la sustancia que se desea descomponer y analizar. Los fragmentos que se forman tras la descomposición se analizan más

Lección 1 Capítulo 9

B. Descomposición o análisis Este tipo de reacciones son inversas a las reacciones de síntesis. Ocurren cuando un compuesto se descompone o se separa en dos o más sustancias como producto, generalmente se hace la separación por medio de calor o electricidad. El proceso a través del cual ocurre la separación es complejo y salvo en el caso de moléculas sencillas, desconocido. El proceso a través del cual ocurre

Imagen 9.7 Espectrómetro de masa Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

286

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas

fácilmente que las moléculas complejas. Una de estas técnicas de análisis es la espectrometría de masas, en la cual se mide la masa atómica de los fragmentos a través de la determinación de la razón de masa/carga de estos. Una de las formas de ionizar las sustancias es el proceso llamado ionización por aerosol. En este, la sustancia que se analiza se coloca en un solvente más volátil dentro de un capilar altamente cargado; de esta manera se inicia la evaporación del solvente y, posteriormente, gracias a la carga que rompe fuerzas intermoleculares y enlaces, la sustancia analizada se convierte en un vapor cargado, es decir: ionizado. Los iones pueden ser analizados en detectores, llamados aceleradores de electrones, que permiten conocer el tipo de moléculas en la sustancia y la composición elemental por la masa atómica. Claro, se necesita del conocimiento de la química analítica para interpretar la información que la máquina muestra.

Ejemplos: La reacción de síntesis del agua libera energía y, por lo tanto, la reacción inversa (de descomposición) absorbe energía. Por esta razón, es necesario suministrar energía de una fuente de corriente eléctrica para que la reacción pueda darse. Este proceso es llamado electrólisis, que significa: «separar por medio de electricidad».

2 H 2O → 2 H 2 + O2 Para hacer el cemento no hidráulico (no puede ser mojado o utilizado con agua) se calcina el carbonato de calcio de esta manera:

CaCO3 → CaO + CO2 El carbonato de calcio se descompone en monóxido de calcio y dióxido de carbono.

Imagen 9.9 El carbonato de calcio (CaCO3) forma los caparazones de algunos moluscos como las conchas, los caracoles, las almejas y las ostras Fuente: http://www.animalhi.com

Imagen 9.8 Fuente de ionización por aerosol

Otros ejemplos de reacciones de descomposición:

Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

Proyecto 1 Capítulo 9

2 H 2 O2 → 2 H 2 O + O2 2 HgO( s ) → 2 Hg ( l ) + O2 CAPÍTULO 9 Reacciones químicas 287

C. Reacciones de sustitución simple En esta reacción, un elemento simbolizado con la letra A reacciona con un compuesto BC, que toma el lugar de uno de los compuestos en los reactivos. La forma general de estas reacciones es: A + BC

›

AC + B (cuando A es un metal)

A + BC

›

BA + C (cuando A es un no metal)

Imagen 9.10 Reacción de sustitución simple. Una forma de ejemplificar este tipo de reacción con nuestros personajes puede ser a través de este caso: José y Diana eran una pareja, pero después de ciertos desacuerdos Diana conoce a Roberto y empiezan a salir. José se queda solo.

Reacciones de los metales: Si se sumerge un

alambre de cobre en una solución de nitrato de plata, se produce una reacción química que forma pequeños cristales de plata. La reacción es:

Cu ( s ) + 2 AgNO3 ( ac ) → Cu ( NO3 ) 2 ( ac ) + 2 Ag ( s ) Podemos observar en la reacción que el cobre (el elemento metálico) se combina con la especie C, que es el ion nitrato (NO3-), y dejan sola a la especie B, que en este caso es la plata (Ag).

Imagen 9.11 Reacción de un alambre de cobre en solución de nitrato de plata, alrededor del alambre se aprecian los cristales de plata formados Fuente: http://www.cchem.berkeley.edu

Reacciones de los no metales: Los halógenos

varían en cuanto a su nivel de reactividad. Los más reactivos reaccionan para sustituir a los menos reactivos. El orden de reactividad es el siguiente: F2> Cl2> Br2> I2. Nota que el orden coincide con el orden ascendente de número atómico de los halógenos en la tabla periódica.

Ejemplo:

288

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas

verde

incoloro

violeta

›

Lección 2 Capítulo 9

›

Cl 2 ( g ) + HI ( g ) → I 2 ( s ) + 2 HCl( g ) incoloro

D. Reacciones de doble sustitución La forma de esta reacción es la siguiente: AB + CD

› AD + CB

Donde A, B, C y D son iones. Los iones se intercambian para formar productos y las reacciones se llevan a cabo en soluciones acuosas. Los productos deben tener las siguientes características: Un sólido insoluble o casi insoluble, conocido como precipitado. Un compuesto covalente estable.

Ejemplo:

Imagen 9.13 Esquema de los distintos tipos de reacciones

H 2 SO4 ( l ) + Na 2 S ( s ) → H 2 S ( g ) + Na 2 SO4 ( S )

Imagen 9.12 Reacción de doble sustitución. Una ilustración de esta reacción, es como cuando una pareja va a una reunión y cada una de las personas, se da cuenta que estaría mejor, con otra persona (cualquier parecido con la realidad es nada más una coincidencia).

CAPÍTULO 9 Reacciones químicas 289

artículo

La producción del cemento Del latín opus caementicium, cemento es el nombre que se le daba en la Antigua Roma a la sustancia hecha de rocas molidas y piedra caliza quemada utilizada para la construcción. A pesar que el cemento que conocemos hoy ha cambiado en la medida en que se han modificado muchos otros materiales, los romanos descubrieron un cemento natural que ha durado miles de años y muchas condiciones ambientales: una mezcla de rocas volcánicas provenientes del volcán Puzzuoli. Como dijimos, el cemento ha variado, pero el principio de acción se mantiene. Es decir, provocar el cambio de una sustancia que de una forma está dispersa, que se puede amoldar y durante el amoldamiento se endurece, de tal manera que en este momento se forma una nueva sustancia. Existen variaciones de materiales que contienen calcio que se endurecen en ciertas condiciones y se pueden utilizar para la construcción, veamos cómo se forma el tipo de cemento más sencillo con cal «apagada».

Este es un tipo de cemento no hidráulico (no puede ser mojado o utilizado debajo del agua) que comienza su formación con la calcinación de carbonato de calcio, de esta manera:

CaCO3 → CaO + CO2 Luego, el óxido de calcio es transformado en hidróxido de calcio (se le llama «avivado» pues al hidróxido de calcio se le conoce como cal viva):

CaO + H 2 O → Ca (OH ) 2 Una vez se evapora el exceso de agua, comienza la fijación o endurecimiento:

Ca (OH ) 2 + CO2 → CaCO3 + H 2 O Observa que en este momento hemos regresado al producto inicial, pero el paso intermedio dio oportunidad a moldear el material y crear alguna estructura. El cemento no hidráulico claramente no es el más utilizado, por eso, los de mayor producción en el mundo son hidráulicos, que son de los siguientes tipos: Cemento natural: es también llamado Puzolona. La puzolana está constituida por cenizas volcánicas en forma de piedra o roca, que, al calcinarse y pulverizarse, proporcionan un producto que se endurece al agregarle agua, es decir, que fragua.

Imagen 9.14 Coliseo Fuente: Licencia de uso a través de Wikimedia Commons

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CAPÍTULO 9 Reacciones químicas

Cemento sintético: es llamado Portland y fue formulado y patentado por un ingeniero químico inglés llamado Josehph Aspdin, en 1824. Le dio este nombre porque el resultado del concreto tiene la apariencia a una roca que se encuentra en la isla Portland. Esta roca es utilizada para construcción.