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Materia y Energía: Introducción a la Química

• La química es una ciencia que estudia la materia, su energía asociada, y sus transformaciones.
• La química se relaciona con la energía porque al correr o caminar usamos energía para realizar un trabajo.
• La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo u ocasionar un cambio.
• La energía se manifiesta en cambios físicos y químicos que se presentan en la naturaleza (calentamiento, deformación, movimiento).

Ramas de la Química

• Las ramas de la química son:
  • Química General: estudia los fundamentos y leyes aplicables a todas las áreas de la química.
  • Química Descriptiva: se centra en la composición y propiedades identificativas de las sustancias.
  • Química Analítica: desarrolla métodos para identificar y cuantificar sustancias y elementos.
  • Química Inorgánica: se ocupa de las sustancias que no contienen cadenas de carbono.
  • Química Orgánica: estudia las sustancias formadas fundamentalmente por cadenas de carbono.
  • Bioquímica estudia los procesos químicos que ocurren en los eres vivos.

El Método Científico

• El método científico comienza con la observación de procesos o fenómenos naturales.
• Las observaciones llevan a la formulación de preguntas y la investigación del problema.
• Se hacen observaciones y se recolectan mediciones, datos y documentación.
• La información recabada sirve para formular una hipótesis.
• La hipótesis se somete a experimentación para su verificación.
• Si se verifica la hipótesis, se convierte en teoría o ley; si no, se revisa.

Mediciones en Química

• Los químicos caracterizan procesos e identifican sustancias midiendo propiedades particulares como longitud, masa, tiempo, temperatura y intensidad de la corriente.
• Medir es comparar una magnitud física con una cantidad patrón llamada unidad.
• El Sistema Internacional de Unidades (SI) define siete magnitudes fundamentales.
  • Longitud se mide en metro (m).
  • Masa se mide en kilogramo (kg).
  • Tiempo se mide en segundo (s).
  • Temperatura se mide en Kelvin (K).
  • Intensidad de corriente en amperio (A).

Definición y Propiedades de la Materia

• La química describe la materia, sus propiedades físicas y químicas, sus cambios y las variaciones de energía.
• La materia se define por ocupar un lugar en el espacio (tener dimensiones) y por presentar inercia.

Definición y Mediciones de la Energía

• La energía se define como la capacidad de realizar trabajo.
• Las unidades de energía incluyen:
  • El joule (J) en el SI: 1 J = 1 N·m.
  • El ergio: 1 erg = 1 g·cm²/s².
  • La caloría: 1 cal = 4,18 J.
  • 1 J = 10^7 erg

Relación entre Materia y Energía

• La relación entre materia y energía se describe con la ecuación E=mc², de la teoría de la relatividad de Einstein.
• La ecuación implica que la materia es otra forma de energía.
• E es la energía en Joules.
• m es la masa en gramos.
• c es la velocidad de la luz en metros por segundo al cuadrado.
• La fórmula determina la cantidad de calor (Q) cedida o absorbida por un cuerpo de masa.
  • Q es la cantidad de calor.
  • m es la masa.
  • c es el calor específico.
  • Δt es la variación de la temperatura.

¿Qué es la Materia?

• La materia es todo aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen).
• La materia se caracteriza por estar en constante cambio o transformación y en continuo movimiento.

Clasificación de la Materia

• La materia se clasifica en sustancias puras y mezclas.
• Las sustancias puras tienen una composición química fija y definida, y se dividen en elementos y compuestos.
  • Los elementos están formados por un solo tipo de átomo.
  • Los compuestos están formados por dos o más tipos de átomos en proporción fija.
• Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias puras no combinadas químicamente, y se dividen en homogéneas y heterogéneas.
  • Las mezclas homogéneas tienen una composición uniforme y no se distinguen sus componentes a simple vista.
  • Las mezclas heterogéneas tienen una composición no uniforme y se pueden distinguir sus componentes.

Sustancias Puras Simples

• Son sustancias formadas por una sola clase de átomos.
  • Pueden ser monoatómicos (oro) o poliatómicos (ozono).

Elementos Químicos

• Las sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más sencillas por medios químicos.
• Se representan por símbolos y están organizados en la tabla periódica.

Sustancias Compuestas

• Las sustancias se forman al combinarse átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas.
  • Las sustancias puede ser:
    • Binario son dos tipos de átomos.
  • Ternario son tres tipos de átomos.

Sustancias Orgánicas e Inorgánicas

• Las orgánicas contienen carbono, combinado con otros como H, O, N.
• Las inorgánicas pueden contener casi todos los elementos de la tabla periódica.

Mezclas

• Una mezcla es un sistema material formado por dos o más sustancias puras no combinadas químicamente, donde no ocurre una reacción química.
• Las mezclas se clasifican en:
  • Homogéneas (disoluciones).
  • Heterogéneas (coloides y suspensiones).

Mezclas Homogéneas

• Las mezclas homogéneas son uniones de dos o más sustancias en las que no se distinguen las sustancias originales.
• Las mezclas homogéneas constan de una sola fase y sus componentes no se diferencian.
• Las mezclas homogéneas se pueden separar mediante destilación, cristalización o cromatografía.
  • La destilación separa los componentes aprovechando sus diferentes puntos de ebullición.
  • La cristalización separa un sólido de un líquido gracias a la volatilidad del líquido.
  • La cromatografía separa componentes usando un papel de filtro.
• Las soluciones químicas son mezclas homogéneas de soluto y solvente en proporciones variables, sin que ocurra una reacción química.

Mezclas Heterogéneas

• Son mezclas en las que los componentes se distinguen y no tienen la misma composición en todas sus partes.
• Las mezclas heterogéneas se pueden separar por filtración, decantación, tamización o imantación.
  • La filtración separa sólidos suspendidos en un líquido.
  • La decantación separa componentes dejando reposar la mezcla para que el componente másdenso vaya al fondo.
  • La tamización separa sustancias sólidas formadas por partículas de diversos tamaños.
  • La imantación separa sustancias sólidas con un imán, al separarlas por atracción magnética.

Suspensiones

• Es una mezcla heterogénea formada por polvo y/o partículas no solubles dispersas en un medio líquido

Coloides

• Los coloides son un tipo de mezcla cuyas partículas tienen un tamaño intermedio entre las de las disoluciones y las suspensiones.

Propiedades de la Materia

• Hay dos tipos principales de propiedades de la materia:
  • Las propiedades físicas son aquellas que no alteran la identidad de la materia y son visibles y medibles.
    • Los ejemplos incluyen:
      • Olor
      • Color
      • Densidad
      • Solubilidad
      • Viscosidad
      • Elasticidad
      • Ductilidad
      • Estado físico
      • Temacidad
  • Las propiedades químicas son la capacidad que tiene una sustancia para transformarse en otra y alteran las propiedades de la materia.
    • Los ejemplos incluyen:
      • Oxidación
      • Reducción
      • Combustión
      • Neutralización
      • Polimerización
      • Fermentación
  • Las propiedades físicas se dividen en intensivas (no dependen de la cantidad de materia) y extensivas (sí dependen de la cantidad de materia).
    • Los ejemplos de propiedades intensivas y extensivas son:
      • Masa: cantidad de materia que tiene un cuerpo.
      • Peso: fuerza que ejerce la Tierra sobre un cuerpo debido a la gravedad.
      • Volumen: espacio que ocupa un cuerpo.
      • Densidad. relación que existe entre la masa y el volumen de un cuerpo.
      • Punto de Fusión: temperatura a la que un cuerpo pasa de sólido a líquido.
      • Punto de Ebullición: temperatura a la que un cuerpo pasa de líquido a vapor.
      • Divisibilidad: propiedad de que cualquier cuerpo puede dividirse en partículas más pequeñas.
      • Porosidad: propiedad de que todos los cuerpos presentan espacios vacíos entre sus partículas.
      • Impenetrabilidad: el hecho de que dos cuerpos no pueden ocupar el mismo espacio a la vez.
      • Inercia: la tendencia de los cuerpos a mantener su estado de reposo o movimiento.

Cambios de estado de la materia

• Fusión: de sólido a líquido (por ganancia calor)
• Solidificación: de líquido a sólido (por pérdida de calor)
• Vaporización: de líquido a gaseoso (por ganancia de calor)
• Condensación: de gaseoso a líquido (por pérdida de calor)
• Sublimación: de sólido a gaseoso (por ganancia de calor)
• Sublimación inversa: de gaseoso a sólido (por pérdida de calor)
• Cristalización: de gaseoso a sólido

Características y ejemplos de Estados de la Materia

• Los principales estados de la materia son sólido, líquido, gaseoso y plasmático.
• Cada estado tiene características distintas como fuerza de cohesión, movimiento de partículas, fluidez y forma.
• Baja Temperatura o Energía: Sólido.
• Temperatura Media o Energía: Líquido.
• Alta Temperatura o Energía: Gaseoso y luego Estado Plasmático.

Fenómenos o Cambios de la Materia

• Se refiere a la transformación de la materia, los fenómenos pueden ser de tres clases:
  • Físicos, donde no varía la naturaleza de la materia.
    • Los ejemplos incluyen:
      • Calentamiento
      • El movimiento
      • Rotura
      • Deformación
  • Químicos es cuando las sustancia se transforma en otra diferente.
    • Los ejemplos incluyen:
      • Combustión
      • Fotosíntesis
      • Oxidación
      • Fermentación del vino
  • Nucleares, que implican reacciones en los núcleos de los átomos.
    • La fisión nuclear es la división de un núcleo pesado en núcleos más ligeros.
    • La fusión nuclear es la combinación de varios núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado.
    • La fisión nuclear es el método utilizado actualmente en las centrales nucleares y genera residuos.
    • La fusión nuclear genera moléculas.