Introducción a la Química

• La química es el estudio de la materia y sus propiedades, así como de cómo la materia cambia.
• Es una ciencia natural que abarca la composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia.
• La química se ocupa de los átomos y sus interacciones con otras partículas.
• La química es esencial para comprender y mejorar el mundo que nos rodea.

Áreas de Estudio en Química

• Química orgánica: Se centra en los compuestos que contienen carbono, siendo fundamental para la vida y las industrias de polímeros y farmacéutica.
• Química inorgánica: Examina los compuestos que no contienen carbono, abarcando metales, minerales y catalizadores.
• Química física: Estudia los principios físicos subyacentes a los sistemas químicos, incluyendo termodinámica, cinética y mecánica cuántica.
• Química analítica: Desarrolla y aplica métodos para la identificación y cuantificación de sustancias químicas.
• Bioquímica: Considera los procesos químicos en organismos vivos, incluyendo el metabolismo, la genética y la biología molecular.

Conceptos Fundamentales en Química

• Átomo: Es la unidad básica de la materia, compuesta por protones, neutrones y electrones.
• Elemento: Sustancia compuesta por un solo tipo de átomo.
• Compuesto: Sustancia formada por la combinación química de dos o más elementos en proporciones fijas.
• Molécula: Agrupación de dos o más átomos unidos por enlaces químicos.
• Ion: Átomo o molécula que ha ganado o perdido electrones, adquiriendo una carga eléctrica.
• Enlace químico: Fuerza que mantiene unidos a los átomos en una molécula o cristal.
• Reacción química: Proceso en el que se rompen y forman enlaces químicos, transformando las sustancias.
• Estequiometría: Es el cálculo de las cantidades de reactivos y productos en una reacción química.

Estados de la Materia

• Sólido: Caracterizado por tener forma y volumen definidos.
• Líquido: Tiene un volumen definido, pero adopta la forma del recipiente que lo contiene.
• Gaseoso: No tiene forma ni volumen definidos, expandiéndose para llenar cualquier recipiente.
• Plasma: Gas ionizado a alta temperatura.
• Los cambios de estado implican transiciones físicas entre estos estados, como la fusión (sólido a líquido), la ebullición (líquido a gas) y la sublimación (sólido a gas).

Tabla Periódica

• La tabla periódica organiza los elementos químicos según su número atómico y propiedades químicas.
• Los elementos situados en la misma columna (grupo) comparten propiedades químicas similares.
• Los elementos en la misma fila (periodo) tienen el mismo número de capas electrónicas.
• Metales: Generalmente sólidos, brillantes y buenos conductores de calor y electricidad.
• No metales: Pueden ser sólidos, líquidos o gases, y son malos conductores de calor y electricidad.
• Metaloides: Muestran propiedades intermedias entre metales y no metales.
• Gases nobles: Son muy estables y poco reactivos.

Reacciones Químicas

• Una reacción química implica la reorganización de átomos y moléculas.
• Reactivos: Son las sustancias iniciales en una reacción química.
• Productos: Son las sustancias formadas en una reacción química.
• Tipos de reacciones químicas:
  • Combinación: Dos o más reactivos se unen para generar un solo producto.
  • Descomposición: Un reactivo se divide en dos o más productos.
  • Desplazamiento simple: Un elemento reemplaza a otro en un compuesto.
  • Desplazamiento doble: Intercambio de iones entre dos compuestos.
  • Neutralización: Es la reacción entre un ácido y una base.
  • Redox: Reacciones de oxidación-reducción donde hay transferencia de electrones.
• Ecuación química: Es la representación simbólica de una reacción química.
• Catalizador: Sustancia que acelera una reacción química sin alterarse en el proceso.
• Enzimas: Catalizadores biológicos que aceleran las reacciones en los organismos vivos.

Termodinámica

• La termodinámica estudia la energía y sus transformaciones.
• Leyes de la termodinámica:
  • Primera ley: La energía se conserva.
  • Segunda ley: La entropía de un sistema aislado siempre aumenta.
  • Tercera ley: La entropía de un cristal perfecto a 0 K es cero.
• Entalpía (H): Mide el calor intercambiado en una reacción a presión constante.
• Entropía (S): Mide el desorden de un sistema.
• Energía libre de Gibbs (G): Mide la espontaneidad de una reacción a temperatura y presión constantes.
• Exotérmica: Reacción que libera calor (ΔH < 0).
• Endotérmica: Reacción que absorbe calor (ΔH > 0).

Cinética Química

• La cinética química estudia la velocidad de las reacciones químicas
• Factores que afectan la velocidad de reacción:
  • Concentración de los reactivos
  • Temperatura
  • Presencia de catalizadores
  • Área superficial de los reactivos
• Ley de velocidad: Ecuación que relaciona la velocidad de una reacción con las concentraciones de los reactivos
• Orden de reacción: Exponente en la ley de velocidad que indica cómo afecta la concentración de un reactivo a la velocidad de la reacción.
• Mecanismo de reacción: Secuencia de pasos elementales que describen cómo ocurre una reacción.
• Energía de activación: Es la energía mínima requerida para que una reacción ocurra.

Equilibrio Químico

• El equilibrio químico ocurre cuando la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.
• Constante de equilibrio (K): Es la relación entre las concentraciones de reactivos y productos en equilibrio.
• Principio de Le Chatelier: Un sistema en equilibrio, al ser perturbado, se desplazará para minimizar dicha perturbación.
• Factores que afectan el equilibrio:
  • Concentración
  • Temperatura
  • Presión (para reacciones con gases)

Ácidos y Bases

• Ácido: Sustancia que dona protones (H+) o acepta electrones.
• Base: Sustancia que acepta protones (H+) o dona electrones.
• Teorías ácido-base:
  • Arrhenius: Los ácidos producen H+ en agua, las bases producen OH- en agua.
  • Brønsted-Lowry: Los ácidos donan protones, las bases aceptan protones.
  • Lewis: Los ácidos aceptan pares de electrones, las bases donan pares de electrones.
• pH: Medida de la acidez o basicidad de una solución, donde pH < 7 es ácido, pH > 7 es básico y pH = 7 es neutro.
• Ácido fuerte: Se disocia completamente en agua.
• Base fuerte: Se disocia completamente en agua.
• Ácido débil: Se disocia parcialmente en agua.
• Base débil: Se disocia parcialmente en agua.
• Titulación: Proceso para determinar la concentración de un ácido o base por medio de la neutralización con una solución de concentración conocida.
• Soluciones buffer: Resisten cambios en el pH al añadir pequeñas cantidades de ácido o base.

Química Orgánica

• La química orgánica se centra en los compuestos que contienen carbono.
• El carbono forma cadenas largas y anillos, lo que permite una enorme variedad de compuestos.
• Grupos funcionales: Átomos o grupos de átomos que confieren propiedades químicas particulares a las moléculas orgánicas.
• Principales grupos funcionales:
  • Alcanos: Solo enlaces simples C-C y C-H.
  • Alquenos: Contienen al menos un enlace doble C=C.
  • Alquinos: Contienen al menos un enlace triple C≡C.
  • Alcoholes: Contienen un grupo hidroxilo (-OH).
  • Éteres: Contienen un átomo de oxígeno unido a dos grupos alquilo (R-O-R').
  • Aldehídos: Contienen un grupo carbonilo (C=O) al final de la cadena.
  • Cetonas: Contienen un grupo carbonilo (C=O) en medio de la cadena.
  • Ácidos carboxílicos: Contienen un grupo carboxilo (-COOH).
  • Ésteres: Contienen un grupo -COO- entre dos cadenas de carbono.
  • Aminas: Contienen un átomo de nitrógeno con uno o más grupos alquilo (R-NH2, R2-NH, R3-N).
  • Amidas: Contienen un grupo amida (-CO-NH2).
• Isomería: Moléculas con la misma fórmula molecular pero diferente estructura.

Bioquímica

• La bioquímica estudia los procesos químicos en los organismos vivos.
• Biomoléculas:
  • Carbohidratos: Fuente de energía y componentes estructurales (azúcares, almidones, celulosa).
  • Lípidos: Almacenamiento de energía, componentes de membranas (grasas, aceites, fosfolípidos, esteroides).
  • Proteínas: Enzimas, componentes estructurales, hormonas, anticuerpos (aminoácidos).
  • Ácidos nucleicos: Almacenamiento y transmisión de información genética (ADN, ARN).
• Enzimas: Proteínas que catalizan reacciones bioquímicas.
• Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos.
• Vías metabólicas: Secuencias de reacciones enzimáticas que transforman moléculas específicas.
• Fotosíntesis: Proceso por el cual las plantas convierten la energía solar en energía química (glucosa).
• Respiración celular: Proceso por el cual las células obtienen energía a partir de la glucosa.