La Ciencia y la Materia

1.1 Definición de la Ciencia

La ciencia se define como un conjunto de conocimientos sobre el mundo, obtenidos a través de la observación, la experimentación y la razón.

1.2 La Física y la Química

• Física: Analiza los cambios que experimenta la materia sin alterar su naturaleza íntima.
• Química: Estudia la composición de la materia, sus propiedades y los cambios que le afectan por su propia naturaleza.

1.3 Propiedades de la Materia

La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa.

1.3.1 Propiedades Generales

Las propiedades generales son aquellas cuyo valor no sirve para identificar una sustancia. Un ejemplo es la masa.

1.3.2 Propiedades Características

Las propiedades características son aquellas que permiten identificar una sustancia. Un ejemplo es la densidad.

Los Gases

2.1 Propiedades de los Gases

• Los gases ocupan el volumen de todo recipiente que los contiene.
• Los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente.
• Cuanto mayor es la rapidez de las partículas, mayor es la temperatura.

2.2 Escalas de Temperatura

T (Kelvin) = T (°C) + 273

2.3 Presión Atmosférica

1 atmósfera = 760 mm Hg

2.4 Leyes de los Gases

2.4.1 Ley de Boyle-Mariotte

A temperatura constante, el producto de la presión que ejerce un gas por el volumen que ocupa es constante: P · V = CTE

2.4.2 Ley de Gay-Lussac

A volumen constante, el cociente entre la presión que ejerce un gas y su temperatura absoluta es constante: P/T = CTE

2.4.3 Ley de Charles

A presión constante, el cociente entre el volumen de un gas y su temperatura absoluta es constante: V/T = CTE

Estados de la Materia

3.1 Estados de Agregación

• Sólido: Forma constante, volumen constante, no se expande, no se comprime (ejemplo: hielo).
• Líquido: Forma variable, volumen constante, no se expande, se comprime con dificultad (ejemplo: agua).
• Gaseoso: Forma variable, volumen variable, se expande, se comprime (ejemplo: vapor).

3.2 Cambios de Estado

• Fusión: Sólido a líquido.
• Vaporización: Líquido a gas.
• Sublimación: Sólido a gas.
• Solidificación: Líquido a sólido.
• Condensación: Gas a líquido.

3.3 Punto de Fusión y Punto de Ebullición

El punto de fusión es la temperatura a la que un sólido se convierte en líquido. El punto de ebullición es la temperatura a la que un líquido se convierte en gas.

La Materia y su Composición

4.1 Sustancias Puras

Una sustancia pura es aquella materia cuya composición no cambia, independientemente de las condiciones físicas. No se pueden descomponer en sustancias más simples.

4.2 Mezclas

Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias puras.

4.2.1 Mezclas Heterogéneas

Las mezclas heterogéneas son aquellas en las que se pueden distinguir sus componentes. Ejemplos: granito, sangre.

4.2.2 Mezclas Homogéneas

Las mezclas homogéneas son aquellas en las que no se pueden distinguir sus componentes. Ejemplos: aire, vino.

4.3 Disoluciones

Una disolución es una mezcla homogénea que no dispersa la luz.

4.4 Coloides

Un coloide es una mezcla heterogénea de aspecto homogéneo. Ejemplos: espuma, aerosoles.

4.5 Separación de Mezclas

• Criba: Separación de sólidos.
• Filtración: Separación de un sólido de un líquido.
• Cristalización: Separación de un sólido disuelto en un líquido por evaporación.
• Decantación: Separación de dos líquidos.
• Destilación: Separación de dos líquidos o de un sólido de un líquido.
• Cromatografía: Separación de componentes de una mezcla.

Teoría Atómica de Dalton

La teoría atómica de Dalton establece que la materia está formada por átomos, que son partículas indivisibles e indestructibles. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en masa y propiedades. Los compuestos están formados por combinaciones de átomos de diferentes elementos.

Propiedades Eléctricas del Átomo

6.1 Carga Eléctrica

Las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.

6.2 Estructura Atómica

Los átomos están formados por protones, electrones y neutrones.

6.2.1 Protones

• Masa: 1,673 · 10^-27 kg
• Carga: +1,6 · 10^-19 C

6.2.2 Electrones

• Masa: 9,11 · 10^-31 kg
• Carga: -1,6 · 10^-19 C

6.2.3 Neutrones

• Masa: 1,675 · 10^-27 kg
• Carga: Neutra

6.3 Modelos Atómicos

6.3.1 Modelo de Thomson

El átomo era una gran masa de carga positiva, en la que estaban incrustados los electrones.

6.3.2 Modelo de Rutherford

El átomo está formado por un núcleo positivo y una corteza negativa. El núcleo concentra la mayor parte de la masa del átomo.

6.3.3 Modelo de Bohr

Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares, llamadas niveles de energía.

6.4 Átomos, Isótopos e Iones

El número atómico (Z) representa el número de protones en el núcleo de un átomo. El número másico (A) representa la suma de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.

Para calcular el número de neutrones, se resta el número atómico del número másico: A – Z.

Un ion es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Un catión es un ion positivo, que ha perdido electrones. Un anión es un ion negativo, que ha ganado electrones.

6.5 Radiactividad

La radiactividad se debe a la pérdida o ganancia de partículas subatómicas. La radiactividad puede ser natural o artificial.

6.5.1 Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la ruptura de un núcleo atómico en dos o más núcleos más pequeños.

6.5.2 Fusión Nuclear

La fusión nuclear es la unión de dos o más núcleos atómicos para formar un núcleo más grande.

6.6 Tipos de Radiaciones

• Radiación Alfa (α): Poco poder de penetración.
• Radiación Beta (β): Poder de penetración medio.
• Radiación Gamma (γ): Alto poder de penetración.

6.7 Aplicaciones de la Radiactividad

La fisión nuclear es la fuente de energía del Sol y de las estrellas. La fusión nuclear se utiliza en las centrales nucleares para producir energía a partir de poco combustible.

Los isótopos radiactivos se utilizan como fuente de energía o para aplicaciones médicas, industriales y científicas.

Elementos y Compuestos Químicos

7.1 Enlace Químico

El enlace químico es la fuerza que mantiene unidos a los átomos en las moléculas y en los cristales.

7.1.1 Átomos Aislados

Los gases nobles son átomos que existen en estado aislado.

7.1.2 Átomos Compuestos

Las moléculas están formadas por dos o más átomos unidos por enlaces químicos. Ejemplos: H2O, CO2.

7.1.3 Cristales

Los cristales son sólidos que tienen una estructura ordenada y repetitiva. Los átomos en los cristales están unidos por enlaces químicos muy fuertes.

7.2 Tipos de Enlaces Químicos

7.2.1 Enlace Iónico

El enlace iónico se forma entre un metal y un no metal. El metal cede electrones al no metal, formando iones positivos (cationes) y negativos (aniones). Los iones se atraen entre sí por fuerzas electrostáticas.

Características del enlace iónico:

• Alto punto de fusión y ebullición.
• Alta dureza.
• Muy frágil.
• Buen conductor de la electricidad en estado sólido.
• Soluble en agua.

Ejemplo: NaCl (cloruro de sodio).

7.2.2 Enlace Covalente

El enlace covalente se forma entre dos o más no metales. Los átomos comparten electrones para alcanzar la configuración electrónica de un gas noble.

Características del enlace covalente:

• Las sustancias moleculares pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas a temperatura ambiente.
• Sólidos blandos.
• Mal conductor de la electricidad.
• No solubles en agua.

Ejemplos: H2O (agua), O2 (oxígeno).

7.2.3 Enlace Metálico

El enlace metálico se forma entre átomos de metales. Los electrones de valencia se deslocalizan formando una nube electrónica que rodea a los iones metálicos positivos.

Características del enlace metálico:

• Buen conductor de la electricidad y el calor.
• No solubles en agua.
• Alta dureza.
• Altos puntos de fusión y ebullición.

Cambios Químicos

8.1 Reacciones Químicas

Una reacción química es un proceso en el que se rompen y se forman enlaces químicos, dando lugar a la formación de nuevas sustancias.

8.2 Ecuaciones Químicas

Una ecuación química es una representación simbólica de una reacción química. Los reactivos se escriben a la izquierda de la flecha y los productos a la derecha.

8.3 Ajustar Ecuaciones Químicas

Ajustar una ecuación química significa balancear los átomos de cada elemento en ambos lados de la ecuación.

8.4 El Mol

El mol es la unidad de cantidad de sustancia. Un mol contiene 6,023 · 10^23 partículas (número de Avogadro).

8.5 Masa Molar

La masa molar es la masa de un mol de una sustancia. Se expresa en gramos por mol (g/mol).

8.6 Cálculos Estequiométricos

Los cálculos estequiométricos se basan en las relaciones molares entre reactivos y productos en una reacción química.

Ejemplo: Calcula el número de átomos que hay en 0,3 moles de aluminio.

0,3 mol Al · (6,023 · 10^23 átomos Al / 1 mol Al) = 1,807 · 10^23 átomos Al