1.1 Química en contexto

En este curso, aprenderás muchos de los principios esenciales que subyacen en la química de la vida moderna.

A lo largo de la historia humana, las personas han tratado de convertir la materia en formas más útiles. Nuestros antepasados de la Edad de Piedra convirtieron trozos de pedernal en herramientas útiles y madera tallada en estatuas y juguetes. Estos esfuerzos implicaron cambiar la forma de una sustancia sin cambiar la sustancia en sí. Pero a medida que aumentaba nuestro conocimiento, los humanos también empezaron a cambiar la composición de las sustancias: la arcilla se convertía en cerámica, las pieles se curaban para hacer prendas de vestir, los minerales de cobre se convertían en herramientas y armas de cobre, y el grano se convertía en pan.

Los humanos comenzaron a practicar la química cuando aprendieron a controlar el fuego y a usarlo para cocinar, hacer cerámica y fundir metales. Posteriormente, comenzaron a separar y utilizar componentes específicos de la materia. Una variedad de fármacos como el aloe, la mirra y el opio se aislaron de las plantas. Los tintes, como el índigo y el púrpura tirio, se extrajeron de la materia vegetal y animal. Los metales se combinaron para formar aleaciones (por ejemplo, el cobre y el estaño se mezclaron para hacer bronce) y las técnicas de fundición más elaboradas produjeron hierro. Los álcalis se extrajeron de las cenizas y los jabones se prepararon combinando estos álcalis con grasas. El alcohol se produjo por fermentación y se purificó por destilación.

Los intentos por comprender el comportamiento de la materia se remontan a más de 2500 años. Ya en el siglo VI a. C. los filósofos griegos discutían un sistema en el que el agua era la base de todas las cosas.

Es posible que hayas escuchado del postulado griego que la materia consta de cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Posteriormente, los alquimistas difundieron una fusión de tecnologías químicas y especulaciones filosóficas desde Egipto, China y el Mediterráneo oriental, que intentaron transformar "metales básicos" como el plomo en "metales nobles" como el oro, y crear elixires para curar enfermedades y prolongar la vida (Figura 1.2).

Figura 1.2. Esta representación muestra el taller de un alquimista alrededor de 1580. Aunque la alquimia hizo algunas contribuciones útiles sobre cómo manipular la materia, no era científica según los estándares modernos (crédito: Chemical Heritage Foundation).

De la alquimia vinieron las progresiones históricas que llevaron a la química moderna: el aislamiento de las drogas de las fuentes naturales, la metalurgia y la industria de los tintes.

Hoy en día, la química continúa profundizando nuestra comprensión y mejorando nuestra capacidad para aprovechar y controlar el comportamiento de la materia.

1.1.1 La química: la ciencia central

La química se conoce a veces como "la ciencia central" debido a su interconexión con una amplia gama de otras disciplinas STEM (STEM significa áreas de estudio en los campos de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas). La química y el lenguaje de los químicos juegan un papel vital en la biología, la medicina, la ciencia de los materiales, la ciencia forense, la ciencia ambiental y muchos otros campos (Figura 1.3). Los principios básicos de la física son esenciales para comprender muchos aspectos de la química, y existe una amplia superposición entre muchas subdisciplinas dentro de los dos campos, como la físico-química y la química nuclear. Las matemáticas, las ciencias computacionales y la teoría de la información proporcionan herramientas importantes que nos ayudan a calcular, interpretar, describir y, en general, dar sentido al mundo químico. La biología y la química convergen en la bioquímica, que es crucial para comprender los muchos factores y procesos complejos que mantienen vivos a los organismos vivos (como nosotros). La ingeniería química, la ingeniería de materiales y la nanotecnología combinan principios químicos y hallazgos empíricos para producir sustancias útiles, desde la gasolina hasta los tejidos y la electrónica. La agricultura, la ingeniería de alimentos, la ciencia veterinaria, la elaboración de cerveza y la elaboración de vinos ayudan a proporcionar sustento en forma de alimentos y bebidas a la población mundial. La medicina, la farmacología, la biotecnología y la botánica identifican y producen sustancias que nos ayudan a mantenernos saludables.

La ciencia ambiental, la geología, la oceanografía y la ciencia atmosférica incorporan muchas ideas químicas para ayudarnos a comprender y proteger mejor nuestro mundo físico. Las ideas químicas se utilizan para ayudar a entender el universo en astronomía y cosmología.

Figura 1.3. El conocimiento de la química es fundamental para comprender una amplia gama de disciplinas científicas. Este diagrama muestra solo algunas de las interrelaciones entre la química y otros campos.

¿Cuáles son algunos cambios en la materia que son esenciales para la vida diaria? Digerir y asimilar alimentos, sintetizar polímeros que se usan para hacer ropa, recipientes, utensilios de cocina y tarjetas de crédito, y refinar el petróleo crudo en gasolina y otros productos son solo algunos ejemplos. A medida que avanzas en este curso, descubrirás muchos ejemplos diferentes de cambios en la composición y estructura de la materia, cómo clasificar estos cambios y cómo ocurrieron, sus causas, los cambios en la energía que los acompañan y los principios y leyes involucrados. A medida que aprendas sobre estas cosas, aprenderás química, el estudio de la composición, las propiedades y las interacciones de la materia.

La práctica de la química no se limita a los libros o laboratorios de química: sucede cuando alguien está involucrado en cambios en la materia o en condiciones que pueden llevar a tales cambios.

1.1.2 El método científico

La química es una ciencia basada en la observación y la experimentación. Hacer química implica intentar responder preguntas y explicar observaciones en términos de las leyes y teorías de la química, utilizando procedimientos aceptados por la comunidad científica. No hay una sola ruta para responder una pregunta o explicar una observación, pero hay un aspecto común en cada enfoque: cada uno utiliza el conocimiento basado en experimentos que pueden reproducirse para verificar los resultados. Algunas rutas implican una hipótesis, una explicación tentativa de las observaciones que actúa como una guía para recopilar y verificar información. Una hipótesis se prueba mediante experimentación, cálculo y/o comparación con los experimentos de otros y luego se refina según sea necesario.

Algunas hipótesis son intentos de explicar el comportamiento que se resume en las leyes. Las leyes de la ciencia resumen una gran cantidad de observaciones experimentales, y describen o predicen alguna faceta del mundo natural. Si tal hipótesis resulta ser capaz de explicar una gran cantidad de datos experimentales, puede alcanzar el estado de una teoría. Las teorías científicas son explicaciones bien fundamentadas, exhaustivas y comprobables de aspectos particulares de la naturaleza. Se aceptan las teorías porque proporcionan explicaciones satisfactorias. El camino del descubrimiento que conduce de la pregunta y la observación a la ley o de la hipótesis a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría, se denomina método científico (Figura 1.4).

Figura 1.4. El método científico sigue un proceso similar al que se muestra en este diagrama. Se muestran todos los componentes clave, aproximadamente en el orden correcto. El progreso científico rara vez es limpio y ordenado: requiere una investigación abierta y la reelaboración de preguntas e ideas en respuesta a los hallazgos.

1.1.3 Los dominios de la química

Los químicos estudian y describen el comportamiento de la materia y la energía en tres dominios diferentes: macroscópico, microscópico y simbólico. Estos dominios proporcionan diferentes formas de considerar y describir el comportamiento químico.

Macro es una palabra griega que significa "grande" . El dominio macroscópico nos es familiar: es el reino de las cosas cotidianas que son lo suficientemente grandes como para ser percibidas directamente por la vista o el tacto humano.

En la vida diaria, esto incluye los alimentos que comes y la brisa que sientes en tu cara. El dominio macroscópico incluye la química diaria y de laboratorio, donde observamos y medimos las propiedades físicas y químicas, como la densidad, la solubilidad y la inflamabilidad.

Micro proviene del griego y significa "pequeño" . El dominio microscópico de la química a menudo se visita en la imaginación. Algunos aspectos del dominio microscópico son visibles a través de microscopios ópticos estándar, por ejemplo, muchas células biológicas. Los instrumentos más sofisticados son capaces de generar imágenes de entidades incluso más pequeñas, como moléculas y átomos (consulta la Figura 1.5 (b)).

Figura 1.5. (a) La humedad en el aire, los icebergs y el océano representan agua en el dominio macroscópico. (b) A nivel molecular (dominio microscópico), las moléculas de gas están muy separadas y desorganizadas, las moléculas de agua sólida están muy juntas y organizadas, y las moléculas de líquido están muy juntas y desorganizadas. (c) La fórmula H2O simboliza el agua, y (g), (s) y (l) simbolizan sus fases. Ten en cuenta que las nubes en realidad comprenden gotas de agua líquida muy pequeñas o cristales de agua sólida. El agua gaseosa en nuestra atmósfera no es visible a simple vista, aunque puede ser percibida como humedad (crédito a: modificación del trabajo de "Gorkaazk"/Wikimedia Commons).

Sin embargo, la mayoría de los sujetos en el dominio microscópico de la química son demasiado pequeños para ser vistos incluso con los microscopios más avanzados y solo se pueden representar en la mente. Otros componentes del dominio microscópico incluyen iones y electrones, protones y neutrones, y enlaces químicos, cada uno de los cuales es demasiado pequeño para ver.

El dominio simbólico contiene el lenguaje especializado utilizado para representar componentes de los dominios macroscópicos y microscópicos. Los símbolos químicos (como los que se usan en la tabla periódica), las fórmulas químicas y las ecuaciones químicas forman parte del dominio simbólico, al igual que los gráficos, dibujos y cálculos. Estos símbolos juegan un papel importante en la química porque ayudan a interpretar el comportamiento del dominio macroscópico en términos de los componentes del dominio microscópico.

Uno de los desafíos para los estudiantes que aprenden química es reconocer que los mismos símbolos pueden representar diferentes cosas en los dominios macroscópicos y microscópicos, y una de las características que hace que la química sea fascinante es el uso de un dominio que debe imaginarse para explicar el comportamiento en un dominio que se puede observar.

Una forma útil de entender los tres dominios es a través de la sustancia esencial y ubicua del agua. El agua es un líquido a temperaturas moderadas, se congelará para formar un sólido a temperaturas más bajas y hervirá para formar un gas a temperaturas más altas (Figura 1.5), estas son observaciones macroscópicas.

Pero algunas propiedades del agua caen en el dominio microscópico, lo que no se puede observar a simple vista.