La Ciencia y la Materia

¿Qué es la ciencia?

La ciencia se define como un conjunto de conocimientos sobre el mundo.

• La física: Analiza cualquier cambio que experimenta la materia en el que no se altera su naturaleza íntima.
• La química: Estudia cómo está constituida la materia, sus propiedades y los cambios que le afectan por su propia naturaleza.

La Materia

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

• Propiedades generales: Son aquellas cuyo valor no sirve para identificar una sustancia (ejemplo: masa).
• Propiedades características: Su valor permite identificar una sustancia (ejemplo: densidad).

Factores de conversión: Permiten convertir entre diferentes unidades de medida.

Gases y Estados de la Materia

Comportamiento 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.
• Temperatura en Kelvin: T(K) = T(°C) + 273. Para pasar de grados Celsius a Kelvin, se suma 273.
• Presión atmosférica: 1 atmósfera = 760 mmHg.

Leyes de los Gases

• 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 = constante).
• Ley de Gay-Lussac: A volumen constante, el cociente entre la presión que ejerce un gas y su temperatura absoluta es constante (P/T = constante).
• Ley de Charles: A presión constante, el cociente entre el volumen de un gas y su temperatura absoluta es constante (V/T = constante).

Estados de la Materia

• Sólido: Tienen forma y volumen constantes, no se expanden y no se comprimen fácilmente (ejemplo: hielo).
• Líquido: Tienen forma variable y volumen constante, no se expanden y se comprimen con dificultad (ejemplo: agua).
• Gas: Tienen forma y volumen variables, se expanden y se comprimen fácilmente (ejemplo: vapor de agua).

Cambios de Estado

• Fusión: Cambio de estado de sólido a líquido.
• Vaporización: Cambio de estado de líquido a gas.
• Sublimación: Cambio de estado de sólido a gas sin pasar por el estado líquido.
• Solidificación: Cambio de estado de líquido a sólido.
• Condensación: Cambio de estado de gas a líquido.

Punto de fusión: Temperatura a la que una sustancia cambia de estado sólido a líquido.
Punto de ebullición: Temperatura a la que una sustancia cambia de estado líquido a gas.

Sustancias Puras y Mezclas

Clasificación de la Materia

• Sustancia pura: Materia cuya composición no cambia cualesquiera que sean las condiciones físicas. No se pueden descomponer en otras sustancias más simples (ejemplo: sodio).
• Mezcla: Combinación de dos o más sustancias puras en proporciones variables.
  • Mezcla heterogénea: Se pueden distinguir sus componentes a simple vista (ejemplo: granito, sangre).
  • Mezcla homogénea: No se pueden distinguir sus componentes a simple vista (ejemplo: aire, vino).

Tipos de Mezclas

• Disolución: Mezcla homogénea que no dispersa la luz.
• Coloide: Mezcla heterogénea de aspecto homogéneo (ejemplo: espuma, aerosoles).

Separación de Mezclas

• Criba: Se utiliza para separar sólidos de diferente tamaño.
• Filtración: Se utiliza para separar un sólido de un líquido.
• Cristalización: Se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido por evaporación del disolvente.
• Decantación: Se utiliza para separar dos líquidos inmiscibles.
• Destilación: Se utiliza para separar dos líquidos miscibles con diferentes puntos de ebullición.
• Cromatografía: Se utiliza para separar los componentes de una mezcla basándose en su diferente afinidad por una fase estacionaria y una fase móvil.

Expresión de la Concentración de Disoluciones

Existen diferentes formas de expresar la concentración de una disolución, como la molaridad, la molalidad, el porcentaje en masa, etc.

Teoría Atómica de Dalton

• La materia está formada por átomos, que son partículas indivisibles e indestructibles.
• Todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa y propiedades.
• Los compuestos están formados por la combinación de átomos de diferentes elementos en proporciones definidas.

Propiedades Eléctricas del Átomo

Cargas Eléctricas

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

Estructura del Átomo

Los átomos están formados por:

• Protones: Partículas con carga positiva (+1) y una masa de 1,673 · 10^-27 kg.
• Electrones: Partículas con carga negativa (-1) y una masa de 9,11 · 10^-31 kg.
• Neutrones: Partículas sin carga y una masa de 1,675 · 10^-27 kg.

Modelos Atómicos

• Modelo de Thomson: El átomo era una esfera de carga positiva en la que se encontraban incrustados los electrones.
• Modelo de Rutherford: El átomo está formado por un núcleo central con carga positiva, donde se concentra la mayor parte de la masa, y una corteza donde giran los electrones.
• Modelo de Bohr: Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares con niveles de energía definidos.

Átomos, Isótopos e Iones

• Número atómico (Z): Número de protones en el núcleo de un átomo. Determina la identidad del elemento.
• Número másico (A): Suma del número de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
• Isótopos: Átomos del mismo elemento con el mismo número atómico pero diferente número másico (diferente número de neutrones).
• Iones: Átomos o grupos de átomos que tienen carga eléctrica neta, ya sea positiva o negativa.
  • Catión: Ion con carga positiva. Se forma cuando un átomo pierde electrones.
  • Anión: Ion con carga negativa. Se forma cuando un átomo gana electrones.

Radiactividad

La radiactividad es la emisión espontánea de partículas o energía por parte de núcleos atómicos inestables.

• Fisión nuclear: Rotura de un núcleo pesado en núcleos más ligeros, liberando gran cantidad de energía.
• Fusión nuclear: Unión de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado, liberando también gran cantidad de energía.

Tipos de Radiación

• Radiación alfa (α): Partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio). Poco poder de penetración.
• Radiación beta (β): Electrones o positrones emitidos por el núcleo. Poder de penetración medio.
• Radiación gamma (γ): Ondas electromagnéticas de alta energía. Alto poder de penetración.

Aplicaciones de la Radiactividad

• Isótopos radiactivos: Se utilizan en medicina para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, en la industria para el control de procesos y en la investigación científica.
• Centrales nucleares: Utilizan la fisión nuclear del uranio para generar energía eléctrica.

Elementos y Compuestos Químicos

Formulación Química

La fórmula química es una representación simbólica de la composición de un compuesto químico.

Tipos de Enlaces Químicos

• Enlace iónico: Se forma entre un metal y un no metal. Hay transferencia de electrones del metal al no metal, formándose iones con cargas opuestas que se atraen electrostáticamente (ejemplo: NaCl).
  • Características: Altos puntos de fusión y ebullición, dureza alta, fragilidad, buenos conductores de la electricidad en estado líquido o en disolución acuosa, solubles en agua.
• Enlace covalente: Se forma entre dos no metales. Los átomos comparten electrones para completar su capa de valencia (ejemplo: H₂O, CO₂).
  • Características: Pueden ser sólidos, líquidos o gases a temperatura ambiente, bajos puntos de fusión y ebullición, blandos, malos conductores de la electricidad, poco solubles en agua.
• Enlace metálico: Se forma entre átomos de metales. Los electrones de valencia se deslocalizan formando una nube electrónica que mantiene unidos los átomos.
  • Características: Buenos conductores de la electricidad y el calor, no solubles en agua, alta dureza, altos puntos de fusión y ebullición.

Cambios Químicos

Ecuaciones Químicas

Las ecuaciones químicas representan los cambios químicos que ocurren en una reacción química.

El Mol

• Mol: Unidad de cantidad de sustancia del Sistema Internacional. Un mol contiene 6,023 · 10²³ entidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.).
• Masa atómica (uma): Masa de un átomo expresada en unidades de masa atómica (uma). 1 uma = 1,66 · 10^-27 kg.
• Masa molecular: Suma de las masas atómicas de los átomos que forman una molécula.
• Masa molar: Masa de un mol de una sustancia. Se expresa en gramos por mol (g/mol).

Ejemplo de Cálculo

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

Se utiliza el factor de conversión del número de Avogadro:

0,3 mol Al x (6,023 · 10²³ átomos Al / 1 mol Al) = 1,807 · 10²³ átomos Al

Por lo tanto, hay 1,807 · 10²³ átomos de aluminio en 0,3 moles de aluminio.