Metodología Científica y Unidades Fundamentales
Método Científico
El método científico es la forma de trabajo utilizada para investigar los fenómenos que se producen en la naturaleza. Sus etapas son:
- Observación
- Búsqueda y selección de información
- Enunciado de hipótesis
- Experimentación
- Interpretación de resultados
- Formulación de leyes
- Formulación de teorías y modelos
- Elaboración del informe
Hipótesis
Una hipótesis es una suposición sobre un hecho observado. Para formular una hipótesis adecuada se debe:
- Tener conocimientos en el área en la que se desea investigar
- Enunciarla de forma clara y con palabras precisas
- Asegurar que sea comprobable
Modelo
Un modelo es una representación gráfica o mental que sirve para poder interpretar cómo es algo de lo que no se tiene certeza absoluta.
Magnitudes y Unidades Fundamentales del SI
- Longitud (L): metro (m)
- Masa (m): kilogramo (kg)
- Tiempo (t): segundo (s)
- Temperatura termodinámica (T): Kelvin (K)
- Intensidad de corriente (I): amperio (A)
- Intensidad luminosa (I): candela (cd)
- Cantidad de sustancia (n): mol (mol)
Manejo de Unidades
Múltiplos
- tera (T): 1012
- giga (G): 109
- mega (M): 106
- kilo (k): 103
- hecto (h): 102
- deca (da): 101
Submúltiplos
- deci (d): 10-1
- centi (c): 10-2
- mili (m): 10-3
- micro (µ): 10-6
- nano (n): 10-9
- pico (p): 10-12
Materia y sus Estados
Materia
La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. La masa y el volumen son propiedades generales, mientras que las características específicas sirven para identificar una sustancia.
Densidad
La densidad es la masa que contiene cada unidad de volumen de una sustancia.
Teoría Cinética en los Tres Estados
- Sólidos: Sus partículas se encuentran unidas por grandes fuerzas de cohesión.
- Líquidos: Sus partículas se unen por fuerzas mucho más débiles que las de los sólidos.
- Gases: Sus partículas se encuentran unidas por fuerzas tan débiles que pueden ser despreciables, y están separadas por grandes distancias.
Cambios de Estado
Un cambio de estado es un proceso físico mediante el cual una sustancia pasa de un estado a otro sin que se altere su naturaleza.
- Fusión: Proceso en el que un sólido pasa a líquido a una temperatura determinada.
- Vaporización: Proceso en el que un líquido pasa a gas. Puede ocurrir de dos formas:
- Evaporación: Proceso lento que ocurre en la superficie del líquido a cualquier temperatura.
- Ebullición: Proceso rápido que ocurre en toda la masa del líquido a una temperatura específica (punto de ebullición).
- Sublimación: Proceso mediante el cual algunas sustancias pasan directamente de sólido a gas. El proceso inverso se llama deposición.
Otros cambios de estado son la condensación (gas a líquido) y la solidificación (líquido a sólido).
Presión
La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie. Se mide en pascales (Pa) o en atmósferas (atm). La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie terrestre y sobre los cuerpos.
Leyes de los Gases
- Ley de Boyle-Mariotte: Para una misma masa de gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales (P1V1 = P2V2).
- Primera Ley de Charles y Gay-Lussac: Para una misma masa de gas a presión constante, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales (V1/T1 = V2/T2).
- Segunda Ley de Charles y Gay-Lussac: Para una misma masa de gas a volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales (P1/T1 = P2/T2).
Mezclas y Disoluciones
Mezclas
- Mezcla heterogénea: Unión de dos o más sustancias con aspecto no uniforme.
- Mezcla homogénea: Unión de dos o más sustancias con aspecto uniforme.
Sustancias Puras
- Sustancia pura: Formada por un solo componente, con propiedades constantes.
- Sustancia simple: Formada por uno o más átomos del mismo elemento químico.
- Compuesto químico: Formado por dos o más elementos unidos entre sí en proporciones fijas.
Disoluciones
Una disolución es una mezcla homogénea y uniforme formada por varias sustancias.
- Disolvente: Sustancia que disuelve al soluto. Es el componente mayoritario de la disolución.
- Soluto: Sustancia que se disuelve en el disolvente. Es el componente minoritario de la disolución.
Tipos de Disoluciones
- Diluida: Poca cantidad de soluto.
- Concentrada: Progresivamente mayor cantidad de soluto.
- Saturada: Contiene la máxima cantidad de soluto que puede disolver a una temperatura determinada.
- Sobresaturada: Contiene más soluto del que puede disolver a una temperatura determinada.
Solubilidad
La solubilidad es la máxima cantidad de soluto que puede contener una determinada cantidad de disolvente a una temperatura fija.
Ósmosis
La ósmosis es el paso de disolvente de una disolución menos concentrada a otra más concentrada a través de una membrana semipermeable.
Concentración de una Disolución
La concentración de una disolución expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad dada de disolución. Se puede expresar de diferentes maneras:
- Porcentaje en masa: (masa de soluto / masa de disolución) x 100
- Porcentaje en volumen: (volumen de soluto / volumen de disolución) x 100
- Concentración en masa: masa de soluto / volumen de disolución
- Molaridad (M): moles de soluto / litro de disolución
Separación de Mezclas
- Tamizado: Separa sustancias con distinto tamaño de partículas.
- Filtrado: Separa mezclas de sólidos y líquidos.
- Decantación: Separa dos líquidos inmiscibles.
- Sedimentación: Separa sólidos en suspensión en un líquido.
- Destilación: Separa dos o más líquidos con distintos puntos de ebullición.
- Cristalización: Separa un sólido del líquido donde está disuelto.
- Cromatografía: Separa los componentes de una mezcla según su diferente velocidad al ser arrastrados por un disolvente sobre un material poroso.
Clasificación de la Materia y Enlaces Químicos
Metales y No Metales
- Metales: Tienen brillo metálico, a temperatura ambiente son sólidos (salvo el mercurio), son dúctiles y maleables, y son buenos conductores del calor y la electricidad.
- No metales: No tienen brillo metálico, a temperatura ambiente se pueden encontrar en los tres estados principales, son frágiles y quebradizos, y son malos conductores del calor y la electricidad.
Evolución de la Tabla Periódica
- Las tríadas de Döbereiner: Los elementos se agrupaban de tres en tres, en tríadas, con propiedades químicas similares.
- Las octavas de Newlands: Los elementos se ordenaban en columnas en orden creciente de masas atómicas, y se observaba que las propiedades se repetían cada ocho elementos.
- La tabla de Mendeleiev: Ordenó los elementos en orden creciente de masa atómica, dejando huecos para elementos aún no descubiertos. Predijo las propiedades de algunos de estos elementos.
- El sistema periódico actual: Contiene 118 elementos conocidos, ordenados según su número atómico creciente. Los elementos del mismo periodo tienen el mismo número de capas electrónicas, mientras que los del mismo grupo tienen el mismo número de electrones en la última capa (electrones de valencia).
Símbolo Químico
Un símbolo químico es una forma abreviada de representar un elemento químico.
Regla del Octeto
La regla del octeto establece que los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones para adquirir ocho electrones en su última capa (configuración electrónica estable).
Enlace Químico
Un enlace químico es una fuerza de tipo electrostático que mantiene unidos los átomos.
- Enlace covalente: Se forma por compartición de electrones entre dos átomos no metálicos. Da origen a moléculas.
- Enlace iónico: Se forma por transferencia de electrones entre un átomo metálico (catión) y un átomo no metálico (anión). Da origen a compuestos iónicos.
- Enlace metálico: Se forma entre los átomos de los metales. Los electrones de valencia se deslocalizan, formando una»nube electrónic» que mantiene unidos a los cationes metálicos.
Red Cristalina
Una red cristalina es una estructura ordenada y repetitiva de átomos, iones o moléculas en el espacio. Los cristales iónicos están formados por la atracción electrostática entre cationes y aniones, mientras que los cristales metálicos están formados por cationes metálicos unidos por una»nube electrónic».
Mol
Un mol es la cantidad de sustancia que contiene tantas partículas como átomos hay en 12 gramos de carbono-12. Un mol también es la cantidad de sustancia que contiene 6,022 x 1023 partículas (número de Avogadro).
Molaridad
La molaridad (M) es una unidad de concentración que expresa la cantidad de sustancia (en moles) por litro de disolución.
Masa Molecular
La masa molecular es la suma de las masas atómicas de los átomos que forman una molécula.
Composición Centesimal
La composición centesimal de un compuesto químico indica el porcentaje en masa de cada uno de los elementos que lo forman.
Estructura Atómica
Número Atómico (Z)
El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo. Es característico para cada elemento.
Número Másico (A)
El número másico (A) es la suma del número de protones y neutrones que tiene un átomo.
Isótopos
Los isótopos son átomos de un mismo elemento (mismo número atómico) pero con diferente número de neutrones (diferente número másico).
Unidad de Masa Atómica (u)
La unidad de masa atómica (u) es la doceava parte de la masa del isótopo de carbono-12.
Espectro Atómico
Un espectro atómico es un registro fotográfico de la energía que emiten o absorben los átomos. Puede ser:
- Espectro continuo: Se observa cuando se descompone la luz blanca (por ejemplo, con un prisma).
- Espectro discontinuo o de líneas: Se observa cuando se descompone la luz emitida por un gas excitado. Cada línea corresponde a una transición electrónica específica.
Configuración Electrónica
La configuración electrónica de un átomo describe la distribución de los electrones en sus diferentes niveles y subniveles de energía.
Reacciones Químicas
Ley de Conservación de la Masa
La ley de conservación de la masa establece que en toda reacción química la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos.
Ley de las Proporciones Definidas
La ley de las proporciones definidas establece que cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto, la relación entre sus masas es constante.
Ley de los Volúmenes de Combinación
La ley de los volúmenes de combinación establece que cuando los gases se combinan para obtener compuestos también gaseosos, sus volúmenes guardan una proporción de números enteros sencillos, siempre que se midan en iguales condiciones de presión y temperatura.
Procesos Físicos y Químicos
Los procesos físicos son aquellos que no alteran la composición de las sustancias, mientras que los procesos químicos sí la alteran.
Modelos Atómicos
- Modelo de Thomson: El átomo se imaginaba como una esfera uniforme de materia cargada positivamente, en la que estaban incrustados los electrones.
- Modelo de Rutherford: El átomo se compone de un núcleo central pequeño y denso con carga positiva (protones), rodeado por electrones que giran a gran velocidad en órbitas circulares.
- Modelo de Bohr: Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares con niveles de energía específicos (cuantizados). Los electrones pueden saltar entre niveles de energía absorbiendo o emitiendo fotones de luz.