Fundamentos de Química: De los Átomos a las Reacciones

Fundamentos de Química

Materia y sus Propiedades

Fenómenos físicos y químicos: Los fenómenos físicos implican cambios en la forma, estado o estructura de la materia, sin alterar su composición química. Por otro lado, los fenómenos químicos implican cambios en la composición de la materia.

Propiedades físicas y químicas: Las propiedades físicas son características observables de la materia (como el color, el olor, la densidad). En cambio, las propiedades químicas describen cómo una sustancia reacciona con otras sustancias.

Clasificación de la materia: La materia se clasifica en:

Elementos: Sustancias puras que no pueden descomponerse en sustancias más simples.
Compuestos: Formados por la combinación de dos o más elementos.
Mezclas: Combinaciones físicas de dos o más sustancias.

Propiedades generales, particulares y específicas de la materia:

Generales: Aplicables a todas las muestras de materia.
Particulares: Identifican una sustancia específica.
Específicas: Características únicas que ayudan a identificar una sustancia.

Ley de conservación de la materia: Esta ley establece que la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma en diferentes formas durante las reacciones químicas.

Leyes de proporciones múltiples o variables y constantes: Estas leyes describen las proporciones en las que los elementos se combinan para formar compuestos.

Estados de Agregación y Cambios de Fase

Estados de agregación de la materia: Sólido, líquido y gas son los estados comunes de la materia.

Cambios de estado o fase: Incluyen licuefacción, vaporización (evaporación y ebullición), condensación, solidificación, fusión y sublimación.

Mezclas y Métodos de Separación

Mezcla: Una combinación física de dos o más sustancias. Puede ser:

Homogénea: Uniforme.
Heterogénea: No uniforme.

Métodos de separación de mezclas: Incluyen filtración, destilación, cromatografía, decantación, entre otros.

Estructura Atómica

Átomos y moléculas: Los átomos son las unidades más pequeñas de un elemento químico, mientras que las moléculas están formadas por la combinación de dos o más átomos.

Teorías atómicas: Las teorías atómicas son modelos científicos que describen la estructura y el comportamiento de los átomos a lo largo del tiempo.

Teoría de Dalton: Propuesta por John Dalton, postula que los átomos son esferas indivisibles con propiedades únicas para cada elemento químico.
Modelo de Thomson: Desarrollado por J.J. Thomson, propone que los electrones están incrustados en una nube de carga positiva, similar a las pasas en un pudín.
Modelo de Rutherford: Creado por Ernest Rutherford, propone que la mayor parte de la masa y carga positiva de un átomo se concentra en un núcleo pequeño y denso, con electrones orbitando alrededor.
Distribución electrónica por el modelo de Bohr: Basado en el modelo planetario del átomo, propone órbitas circulares específicas en las cuales los electrones pueden girar alrededor del núcleo.

Número atómico (Z) y masa atómica (A):

Número atómico (Z): Es la cantidad de protones en el núcleo de un átomo.
Masa atómica (A): Es la suma de protones y neutrones en el núcleo.

Tabla periódica: Una tabla que organiza los elementos químicos según su número atómico y configura sus propiedades químicas.

Características de los metales y no metales:

Metales: Tienden a ser buenos conductores de calor y electricidad, maleables y brillantes.
No metales: Tienden a ser malos conductores y pueden ser sólidos frágiles o gases.

Alótropos e isótopos:

Alótropos: Son diferentes formas físicas del mismo elemento (como el grafito y el diamante del carbono).
Isótopos: Son átomos del mismo elemento con diferentes números de neutrones.

Enlaces Químicos

Enlace iónico: Se forma cuando un átomo cede electrones a otro átomo, resultando en la formación de iones con carga positiva y negativa, que se atraen mutuamente para formar un compuesto iónico.

Enlace covalente: Se produce cuando dos átomos comparten pares de electrones, formando moléculas estables. Puede ser:

Simple: Un solo par de electrones compartidos.
Doble/Triple: Dos o tres pares compartidos.

Enlace metálico: Es el tipo de enlace que se forma entre los átomos de metales, donde los electrones se mueven libremente entre los iones metálicos positivos, lo que da lugar a las propiedades típicas de los metales, como la conductividad eléctrica y térmica.

Número de oxidación: Es la carga eléctrica que un átomo tendría si los electrones compartidos en un enlace covalente se asignaran por completo al átomo más electronegativo. Ayuda a determinar cómo los átomos forman compuestos y reaccionan entre sí.

Nomenclatura Química

Nomenclaturas: En química, la nomenclatura se refiere al sistema de nombrar compuestos químicos de manera sistemática y uniforme, utilizando reglas específicas para cada tipo de compuesto.

Óxidos no metálicos o anhídridos: Son compuestos formados por la combinación de un no metal con oxígeno. Se nombran agregando el prefijo»óxido d» seguido del nombre del no metal con un sufijo»-os» o»-ic» para indicar el estado de oxidación del no metal.

Hidróxidos o bases: Son compuestos que contienen el grupo hidroxilo (OH-) y un metal. Se nombran utilizando la palabra»hidróxid» seguida del nombre del metal, seguido por el número de oxidación en números romanos si es necesario.

Ácidos: Son compuestos que liberan iones de hidrógeno (H+) en solución acuosa. Se nombran utilizando la palabra»ácid» seguida del nombre del anión y el sufijo»-ic» o»-os», dependiendo del estado de oxidación del anión.

Sales: Son compuestos iónicos formados por la combinación de un catión metálico con un anión no metálico. Se nombran utilizando el nombre del catión seguido por el nombre del anión con el sufijo»-ur»,»-at» o»-it», dependiendo del estado de oxidación del anión.

Reacciones Químicas

Tipos de reacciones químicas:

Síntesis: También conocida como combinación, es una reacción en la que dos o más sustancias se combinan para formar un compuesto más complejo. Por ejemplo: A + B → AB.
Descomposición: Una sustancia se descompone en dos o más sustancias más simples. Por ejemplo: AB → A + B.
Sustitución simple: Un elemento reemplaza a otro en un compuesto. Por ejemplo: A + BC → AC + B.
Sustitución doble: Los cationes y aniones de dos compuestos se intercambian entre sí para formar dos nuevos compuestos. Por ejemplo: AB + CD → AD + CB.
Neutralización: Una reacción entre un ácido y una base que produce agua y una sal. Por ejemplo: HCl + NaOH → NaCl + H2O.
Combustión: Una reacción química en la que una sustancia reacciona con el oxígeno, liberando energía en forma de calor y luz. Por ejemplo: C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O.

Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción en química se refiere a la rapidez con la que los reactivos se convierten en productos. Los factores que afectan la velocidad de reacción son:

Concentración de los reactivos: En general, a mayor concentración de los reactivos, mayor será la frecuencia de choques entre las moléculas, lo que puede aumentar la velocidad de la reacción.
Temperatura: Un incremento en la temperatura suele aumentar la velocidad de reacción, ya que las moléculas se mueven más rápidamente y tienen una energía cinética mayor, lo que favorece las colisiones efectivas entre las partículas.
Superficie de contacto: En reacciones que involucran sólidos, una mayor superficie de contacto entre los reactivos puede aumentar la velocidad de reacción al proporcionar más lugares para que ocurran las colisiones.
Presión (en el caso de gases): En el caso de reacciones que involucran gases, un aumento en la presión puede aumentar la concentración efectiva de los gases, lo que a su vez puede aumentar la velocidad de la reacción.
Catalizadores: Los catalizadores son sustancias que aceleran una reacción química al disminuir la energía de activación requerida para que ocurra la reacción, sin ser consumidos en el proceso.

Gases

Teoría cinética de los gases: Esta teoría describe el comportamiento de los gases a nivel molecular. Según esta teoría, los gases consisten en partículas en constante movimiento y colisión. Se asume que las partículas de gas no tienen volumen propio y no ejercen fuerzas significativas entre sí, excepto durante colisiones elásticas.

Leyes de los gases:

Ley de Boyle: Establece que, a temperatura constante, el volumen de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional a su presión. Matemáticamente se expresa como PV = k, donde P es la presión, V es el volumen y k es una constante.
Ley de Charles y Gay-Lussac: Establece que, a presión constante, el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura en la escala absoluta (Kelvin). Matemáticamente se expresa como V/T = k.
Ley general de los gases: Combina las leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac en una sola ecuación: (P1V1)/T1 = (P2V2)/T2, donde P es la presión, V es el volumen y T es la temperatura en la escala absoluta.
Ley de los gases ideales: Establece que, bajo ciertas condiciones ideales, un gas se comporta de acuerdo con la ecuación PV = nRT, donde P es la presión, V es el volumen, n es la cantidad de sustancia en moles, R es la constante de los gases ideales y T es la temperatura en Kelvin.

El Agua

Propiedades del agua: El agua es un solvente polar que tiene una alta capacidad calorífica, es un excelente disolvente, tiene una elevada tensión superficial, es menos densa en estado sólido que en estado líquido, y es un compuesto que puede actuar tanto como ácido como base.

Purificación del agua: Existen varios métodos para purificar el agua, entre ellos:

Método térmico (como la ebullición)
Filtración (mediante filtros físicos)
Purificación química (usando sustancias como cloro)
Coagulación (para eliminar partículas suspendidas)
Desmineralización (para eliminar minerales)
Destilación (para separar componentes)

Soluciones, Ácidos y Bases

Soluciones: Son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. La concentración de una solución puede expresarse cuantitativamente de diversas maneras, como porcentaje en masa, molaridad, normalidad, etc.

Ácidos y bases:

Ácidos: Sustancias que liberan iones de hidrógeno en solución acuosa.
Bases: Sustancias que liberan iones de hidróxido en solución acuosa.

Teoría ácido-base de Brønsted-Lowry: Define a los ácidos como donadores de protones y a las bases como aceptores de protones.

pH de una solución: El pH es una medida de la acidez o basicidad de una solución. Se expresa en una escala que va de 0 a 14, donde 7 es neutro, por debajo de 7 es ácido y por encima de 7 es básico.

Reacciones de neutralización: Son aquellas reacciones en las que un ácido reacciona con una base para formar agua y una sal.

Oxidación y Oxígeno

Oxidación: Es un proceso químico en el cual un átomo, ion o molécula pierde electrones. Por lo general, este proceso va acompañado de un aumento en el estado de oxidación del elemento.

Propiedades del oxígeno: El oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido a temperatura ambiente. Es indispensable para la respiración de los seres vivos y para la combustión de materiales. Además, es altamente reactivo.

Propiedades físicas del oxígeno: A temperatura y presión estándar, el oxígeno es un gas. Tiene un punto de ebullición y un punto de fusión bastante bajos. Es menos denso que el aire y es soluble en agua.

Propiedades químicas del oxígeno: El oxígeno es altamente reactivo y forma compuestos con la mayoría de los elementos. Es un oxidante fuerte y participa en reacciones de combustión.

Óxidos básicos y óxidos ácidos:

Óxidos ácidos (anhídridos): Son compuestos que reaccionan con el agua para formar ácidos. Por ejemplo, el dióxido de carbono (CO2) forma ácido carbónico (H2CO3) al reaccionar con agua.
Óxidos básicos (oxifos metálicos): Son compuestos que reaccionan con el agua para formar bases. Un ejemplo común es el óxido de calcio (CaO), que reacciona con agua para formar hidróxido de calcio (Ca(OH)2).

Balanceo de Ecuaciones Químicas

El balanceo de ecuaciones químicas es un paso fundamental en la resolución de problemas de química, ya que asegura que se cumpla la ley de conservación de la materia.

Métodos de balanceo:

Balanceo por tanteo: Consiste en ajustar los coeficientes de las fórmulas químicas en la ecuación para que el número total de átomos de cada elemento sea el mismo en ambos lados de la ecuación. Es un proceso basado en el ensayo y error.
Balanceo por óxido-reducción: Se basa en el cambio en el número de oxidación (estado de oxidación) de ciertos elementos en la ecuación. Se utilizan las reglas de la redox para identificar los elementos que experimentan cambios en su estado de oxidación y luego se ajustan los coeficientes para lograr el balance tanto de átomos como de carga.

Química Orgánica

Hidrocarburos: Son compuestos químicos formados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Se clasifican en:

Saturados: Contienen enlaces simples entre los átomos de carbono. Ejemplo: metano (CH4).
Insaturados: Contienen al menos un enlace doble o triple entre los átomos de carbono.

Isomería: Propiedad que tienen ciertos compuestos químicos de tener la misma fórmula molecular pero estructuras diferentes, lo que les confiere propiedades distintas.

Funciones de la química orgánica:

Síntesis de compuestos orgánicos
Fabricación de productos farmacéuticos
Elaboración de materiales plásticos y polímeros
Producción de combustibles
Investigación en biología molecular

Grupo funcional: Conjunto de átomos que confieren propiedades específicas a una molécula. Ejemplos:

Hidroxilo (-OH) en alcoholes
Carbonilo (C=O) en aldehídos y cetonas

Petróleo y sus Derivados

Petróleo: Mezcla compleja de hidrocarburos que se encuentra en forma líquida en yacimientos subterráneos. Se extrae mediante la perforación de pozos petroleros y es una de las fuentes de energía más importantes a nivel mundial.

Destilación fraccionada: Proceso fundamental en el refinado del petróleo. Consiste en calentar el petróleo crudo a altas temperaturas para separar sus componentes en fracciones según sus puntos de ebullición. Se obtienen productos como gasolina, queroseno, diesel, aceites lubricantes, entre otros.

Derivados del petróleo: Productos obtenidos a partir del refinado del petróleo crudo. Incluyen asfalto, ceras, gases licuados del petróleo (GLP) y productos petroquímicos utilizados en la fabricación de plásticos, fertilizantes, medicamentos, cosméticos y otros productos químicos.