Resumen de Unidad 3: Fundamentos de Química PDF

Ciencias Experimentales Unidad 3. Fundamentos de Química UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química ÍNDICE Orientaciones para el estudio de la unidad.............................................................

Ciencias Experimentales Unidad 3. Fundamentos de Química UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química ÍNDICE Orientaciones para el estudio de la unidad............................................................... 2 1. Introducción...................................................................................................... 2 2. Cambios físicos.................................................................................................. 2 2.1. Materia: concepto y propiedades...................................................................... 2 2.2. Estados de la materia......................................................................................... 3 2.4. Sustancias puras y mezclas................................................................................ 6 3. Cambios químicos.............................................................................................. 7 3.1. Elementos y compuestos químicos................................................................... 7 3.3. La tabla periódica de los elementos. La tabla de Mendeléiev........................ 10 3.4. Introducción a la química del carbono............................................................ 11 4. Bibliografía recomendada................................................................................... 13 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................ 14 1 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química Orientaciones para el estudio de la unidad - Complementar el material de la asignatura con la información que se aporta en las clases, tanto en las presenciales como en las videoconferencias. - También pueden apoyarse en los recursos que se ponen a disposición al final de este documento. Entre los que destacan las referencias que apoyan lo dicho en la unidad y recursos web de este tema. Cabe destacar el apartado de bibliografía recomendada. - Además de esto, no debe olvidarse que la formación no será completa si no se desarrollan las competencias en la búsqueda de la información, el procesamiento de ésta y el contraste de la misma, elaborando el propio alumno la información que se lee, además de lo que se escuche en las clases y se obtenga por otras vías. 1. Introducción El mundo natural está compuesto de materia. Toda la materia tiene física que sostiene a sus componentes, en esta unidad se verá qué tipo de características tiene la materia y se profundizará en sus componentes, las moléculas y los átomos, dando una especial relevancia por su relación con las Ciencias Naturales a la química del carbono. 2. Cambios físicos 2.1. Materia: concepto y propiedades Se denomina materia a aquello que tiene masa y ocupa un determinado volumen. Masa y volumen son características comunes a toda la materia, por ello, estas se conocen como propiedades generales de la materia. La masa indica la cantidad de materia que contiene un cuerpo. La unidad de medida de la masa en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el kilogramo (kg). Para medir la masa empleamos la balanza. El volumen indica el espacio que ocupa un cuerpo. La unidad de volumen en el SI es el metro cúbico (m3). Para medir volumen empleamos recipientes graduados, como las probetas, pipetas, etc. Cada clase de materia o sustancia tiene unas propiedades específicas de la materia (textura, color, fragilidad, dureza, olor, temperatura de fusión, temperatura de ebullición, etc.) que permiten diferenciar unas sustancias de otras; es decir, nos sirven para identificarlas. 2 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química En el caso de la densidad de un cuerpo, a pesar de ser la relación entre las dos propiedades generales de la materia, es decir, la cantidad de materia que posee en relación al volumen que ocupa, es una de las propiedades específicas ya que nos permite identificar una sustancia. d = m / v (kg/m3) 2.2. Estados de la materia La materia está formada por partículas que se atraen entre sí por fuerzas. Según la intensidad de estas fuerzas, existen cuatro estados: sólido, líquido, gaseoso y plasma (Figura 1). Figura 1. Los estados de la materia. Fuente: Areaciencias (s.f.) En el estado sólido los cuerpos tienen un volumen casi invariable debido a que sus partículas están prácticamente en contacto, por lo cual no se pueden aproximar más. La forma de los sólidos es también invariable, porque sus partículas están perfectamente ordenadas ocupando posiciones fijas en estructuras tridimensionales repetitivas llamadas cristales. Las partículas no están quietas en sus posiciones, sino que vibran sin cesar, tanto más intensamente cuanto mayor es la temperatura. Si ésta llega a ser lo suficientemente alta (temperatura de fusión) las partículas pierden sus posiciones fijas y, aunque siguen muy juntas, desaparece la estructura cristalina, exclusiva de los sólidos, para transformarse en líquidos. La forma de los líquidos es variable (adoptan la forma que tiene el recipiente) porque, por encima de la temperatura de fusión, las partículas no pueden mantener las posiciones fijas que tienen en estado sólido y se mueven desordenadamente. Sin el efecto de la gravedad, la forma natural de los líquidos es la esférica (la gota). 3 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química El volumen de los líquidos es prácticamente invariable, porque las partículas, aunque no forman una estructura fija como en el caso de los sólidos, se mantienen, como en ellos, relativamente juntas. Los líquidos pueden fluir, ya que sus partículas, al tener libertad y no ocupar posiciones fijas, pueden desplazarse por los huecos que aparecen entre ellas, permitiendo el movimiento de toda la masa líquida. Los movimientos de las partículas de un líquido se hacen más amplios y rápidos al calentarlo y aumentar su temperatura. Por encima de la temperatura de ebullición, las partículas pierden el contacto entre sí y se mueven libremente en todas direcciones (estado gaseoso). Los gases se difunden hasta ocupar todo el recipiente que los contiene porque, a diferencia de los sólidos y líquidos, tienen sus partículas muy separadas moviéndose caóticamente en todas direcciones. El movimiento de cada partícula no se verá perturbado mientras no choque con otra partícula o con las paredes del recipiente. Por esta razón, los gases acaban ocupando todo el volumen del recipiente. Los innumerables choques pueden ejercer un empuje tan grande sobre las paredes que éstas pueden llegar a romperse. La forma de los gases es variable, adoptan la de cualquier recipiente que los contenga. El volumen de los gases es fácilmente modificable porque se pueden comprimir y expandir. Presionando un gas se disminuye la separación entre sus partículas, cosa que no puede ocurrir en los estados sólido y líquido. Los gases pueden fluir, por la misma razón que en el caso de los líquidos. Los líquidos y los gases reciben por ello el nombre genérico de fluidos. Los estados de agregación más conocidos son el sólido, líquido y gaseoso, pero en el Universo la mayor parte de la materia se encuentra en el estado de plasma, que es un estado especial gaseoso a alta temperatura formado por iones. Imágenes de esta materia son las auroras boreales y australes, así como las esferas de plasma (Figura 2). Figura 2. Materia en estado de plasma. Esfera de plasma a la izquierda y nebulosa planetaria a la derecha. Fuente: Universoelectrico (s.f.) 4 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química 2.3. Cambios de estado El estado en que se encuentra una sustancia depende de la temperatura y la presión. Si la temperatura cambia, una sustancia puede pasar de un estado a otro; es decir, se produce un cambio de estado (Figura 3): De sólido a líquido. Al calentar un sólido, éste puede pasar a estado líquido mediante un proceso denominado fusión. La temperatura a la que tiene lugar este proceso se denomina temperatura de fusión. El paso de líquido a sólido se denomina solidificación. De líquido a gas. El proceso por el que un cuerpo en estado líquido pasa a estado gaseoso se denomina vaporización. Se puede producir mediante dos mecanismos distintos: - Ebullición, se produce el cambio de estado cuando se alcanza una temperatura determinada, llamada temperatura o punto de ebullición. En este proceso, el cambio de estado se produce en todo el volumen del líquido. - Evaporación, es el paso de líquido a gas a cualquier temperatura. El cambio de estado se produce sólo en la superficie del líquido. El paso de estado gaseoso a líquido se denomina condensación. El paso de sólido a gas se denomina sublimación. Es un cambio de estado poco frecuente en la naturaleza. El paso de estado gaseoso a sólido se denomina sublimación inversa o sublimación regresiva, pero también se le conoce como cristalización. Figura 3. Los cambios de estado de la materia. Fuente: Educ.ar (s.f.) La teoría cinética permite explicar los cambios de estado. Cuando un sólido se calienta, las partículas que lo componen se empiezan a mover más rápidamente, hasta que se separan, 5 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química transformándose en un cuerpo en estado líquido (cambio de estado). Si continuamos calentando, las partículas se siguen separando; llegará un momento en que las partículas están tan separadas que se escapan unas de otras, y el cuerpo habrá pasado a estado gaseoso (Figura 1). 2.4. Sustancias puras y mezclas Cada proporción distinguible de materia se denomina cuerpo, y sus distintos aspectos son sus propiedades. La materia puede estar formada por una misma sustancia (sustancia pura) o por varias sustancias mezcladas en proporción variable (mezclas). De esta manera, una sustancia pura es simple si está formada por átomos del mismo elemento, es decir, átomos iguales, como el oro, o compuesta, si está formada por moléculas iguales, con átomos iguales como el nitrógeno, o átomos diferentes como el agua. Además, estas sustancias puras presentan una serie de propiedades específicas que las caracterizan. Por ejemplo, el agua, su densidad es 1 kg/m3, hierve a 100°C y se congela a 0°C. Las mezclas, como su nombre indica, pueden estar formadas por distintos elementos o ser una combinación de elementos y moléculas diferentes. Las mezclas no presentan propiedades específicas, sus propiedades dependerán de la proporción de cada componente. Ejemplo: mezcla de agua con alcohol. Casi siempre, en la naturaleza los cuerpos son mezclas de varias sustancias (Figura 4): Si la mezcla es homogénea se llama disolución. Están compuestas por varias sustancias, pero su aspecto es homogéneo, habitualmente son transparentes. Ejemplo: agua con azúcar. Mezcla heterogénea, podemos separar sus componentes por distintos medios físicos (filtración, decantación, centrifugación, etc.). Sus componentes se pueden diferenciar a simple vista. Ejemplo: mezcla de agua y arena. Una disolución puede estar formada por dos o más componentes. Aquel que se encuentra en mayor proporción se le denomina disolvente. Al que se encuentra en menor proporción se denomina soluto. Ejemplo: en la mezcla de agua con azúcar, el agua sería el disolvente y el azúcar el soluto. Figura 4. Mezclas homogéneas y heterogéneas. 6 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química Fuente: Fullquimica (s.f.) 3. Cambios químicos 3.1. Elementos y compuestos químicos Un elemento químico es una sustancia pura que no se puede separar en otras más simples por métodos químicos (reacciones químicas). Al ser una sustancia pura, cada elemento químico está constituido por átomos con las mismas propiedades químicas, es decir átomos iguales. Los elementos químicos se identifican por nombres específicos que suelen hacer referencia a alguna de sus propiedades, o el nombre de su descubridor, lugar donde fue descubierto, etc., y se representan por el símbolo de la tabla periódica. Algunos ejemplos son el hierro, el oro, bromo, mercurio, cobre, oxígeno, helio, etc. Un compuesto químico es una sustancia pura que se puede descomponer en otras sustancias puras (elementos químicos) mediante métodos químicos, estos métodos son reacciones químicas. Al ser una sustancia pura, está formado por moléculas iguales, pero cada una presenta átomos diferentes. Algunos ejemplos son el ácido sulfúrico (H2SO4), el dióxido de carbono (CO2), el agua (H2O), etc. Por ejemplo, el agua se puede descomponer en hidrógeno (H) y oxígeno (O) mediante el proceso de electrólisis del agua. Para representar los compuestos químicos empleamos una fórmula química. En ella se escriben los símbolos de todos los elementos que contiene el compuesto, acompañados de subíndices, que expresan el número de átomos de cada elemento presentes en esa sustancia. Ejemplo: H2O. Tanto en los elementos como en los compuestos químicos, los átomos están unidos entre sí mediante enlaces químicos. Los enlaces químicos, que estudiaremos en el siguiente apartado, son interacciones físicas entre átomos, moléculas o iones que mantienen unidos a los átomos que los componen. Estas interacciones permiten a la materia permanecer unida mediante estas fuerzas de unión que son más o menos intensas. 7 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química En la actualidad se conocen 118 elementos químicos. La mayoría de ellos se dan de forma natural en la naturaleza combinados con otros elementos formando compuestos químicos, otros se forman por descomposiciones radioactivas y su existencia es efímera, y otros han sido sintetizados por el hombre. 3.2. Átomos y moléculas La molécula es la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades químicas. Las moléculas están formadas a su vez por partículas más pequeñas denominadas átomos, que pueden ser átomos del mismo o de diferente elemento. El átomo es la parte más pequeña de un elemento que puede formar parte de una molécula o intervenir en un proceso de cambio químico. Si los átomos de una molécula son iguales se podría hablar de un elemento químico, como por ejemplo el oxígeno (O2) que está formado por dos átomos de oxígeno. Por el contrario, si los átomos son diferentes, se habla de un compuesto químico; por ejemplo la molécula de agua (H2O), que está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, pero hay que tener presente que los compuestos químicos son sustancias puras, es decir, formadas por la repetición de lo mismo, con lo que estarían formados por moléculas iguales pero que están formadas por átomos diferentes. El átomo está formado por partículas más pequeñas, protones, neutrones y electrones, que forman la estructura atómica (Figura 5). Los protones y neutrones se encuentran formando el núcleo. Los electrones se mueven en el exterior alrededor del núcleo. Las rutas que describen en su movimiento alrededor del núcleo se llaman orbitales y en su conjunto todos los orbitales forman la corteza. En proporción a escala visible al ojo humano serían una corteza del tamaño de un estadio de fútbol con un núcleo que sería del tamaño de un guisante. Figura 5. Estructura del átomo. Fuente: Ruiz (2023) 8 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química El átomo de un elemento tiene como característica fundamental el número de protones y neutrones del núcleo y tiende a capturar o compartir electrones de otros átomos para rellenar los huecos de sus orbitales y formar así los enlaces químicos, que mantienen los átomos unidos. Son de tres tipos: iónico, si un átomo cede electrones a otro; covalente, si comparten los electrones; y metálico, cuando los núcleos atómicos permanecen unidos y los electrones se disponen alrededor como una nube. El número de electrones que tiene un átomo en el orbital más externo de su corteza es lo que se denomina valencia química. Hay elementos químicos con más de una valencia, de forma que para ser más exactos se define como los números de oxidación que presenta, o sea, por simplificar (aun corriendo el riesgo de no ser preciso) el número de electrones desemparejados que presenta en el último orbital y por lo tanto que puede compartir con otros átomos. Por lo tanto, el cloro (valencia -1) con el sodio (valencia 1) se pueden unir dando cloruro de sodio, porque el cloro tiene la posibilidad de compartir un electrón desemparejado con el sodio que tiene otro electrón desemparejado. Sin embargo, nunca se podrán unir a átomos como el helio porque no tienen átomos desemparejados. Un ejemplo de esta unión son los enlaces que se producen entre 4 átomos de hidrógeno (con una valencia -1, cada uno) con el carbono (valencia +4) para formar el metano (CH4) tal y como se observa en la figura 6. Figura 6. Enlace entre hidrógeno y carbono para formar metano. Fuente: El cuarto blanco (s.f.) 9 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química 3.3. La tabla periódica de los elementos. La tabla de Mendeléiev La tabla periódica consiste en disponer los elementos químicos en un cuadro en orden creciente de sus masas atómicas. Se llama periódica, porque los elementos químicos con propiedades químicas semejantes aparecen periódicamente, dando lugar a los grupos. Cada elemento químico tiene un nombre y se representa mediante un símbolo, que suele coincidir con las primeras letras de su nombre. La tabla periódica de los elementos actual está basada en la propuesta por Mendeléiev en 1869. Sin embargo, el criterio de ordenación está ligeramente modificado. En la tabla periódica los elementos químicos se encuentran ordenados, de izquierda a derecha en orden creciente de su número atómico (Z). Además de esto, los elementos químicos están distribuidos en filas y columnas según una serie de características. Existen 7 filas horizontales que se denominan períodos, y 18 columnas denominadas grupos (Figura 7). El número atómico (Z) es el número de protones presentes en el núcleo de cada elemento químico. Los elementos químicos también se clasifican en: metales, no metales y semimetales, de acuerdo con su capacidad para ganar o perder electrones. Figura 7. Tabla periódica. Fuente: IUPAC (s.f.) 10 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química Cada grupo tiene las mismas valencias y por ello se agrupan así (Figura 8). Además, permite ver cómo los átomos de la primera columna tienen valencia 1 y los de la penúltima tienen valencia -1, permitiendo ver que se pueden combinar formando moléculas de igual número de átomos de cada uno (un átomo de un grupo y otro de otro). Por ejemplo, cloruro de sodio (NaCl). Del mismo modo los del grupo de la segunda columna (valencia 2) podrían unirse cada uno con dos átomos de la penúltima columna (valencia -1), por ejemplo, cloruro de bario (BaCl2) y así sucesivamente. Figura 8. Tabla periódica con valencias. Fuente: EcuRed (s.f.) 3.4. Introducción a la química del carbono El átomo de carbono (C) forma cuatro enlaces covalentes compartiendo sus cuatro electrones de valencia. Los enlaces pueden ser sencillos, dobles o triples (Figura 9). Figura 9. Diagrama de Lewis para los enlaces del carbono. Los puntos representan los cuatro electrones de valencia del carbono. Cada par de electrones compartidos se representa por una raya. Fuente: VV.AA. (2012) 11 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química Existe un gran número de compuestos de carbono debido a la capacidad de sus átomos de unirse entre sí formando cadenas, que pueden ser abiertas (lineales y ramificadas) o cerradas (cíclicas) (Figura 10). El número de átomos de carbono es la longitud de la cadena. Los átomos de carbono que componen las cadenas se clasifican en primarios, secundarios, terciarios y cuaternarios, según estén unidos, respectivamente, a uno, dos, tres o cuatro átomos de carbono. Figura 10. Tipos de cadenas carbonadas. Fuente: VV.AA. (2012) Aquellas moléculas formadas por carbono con enlaces carbono-carbono y/o carbono- hidrógeno se conocen como moléculas o compuestos orgánicos. Su característica más sobresaliente es que pueden ser quemados y por eso arden, es decir, son compuestos combustibles. Por lo tanto, el CO2 no se considera compuesto orgánico. Dentro de los compuestos orgánicos más importantes en las Ciencias Experimentales podemos encontrar a los hidrocarburos y las biomoléculas. Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que solamente contienen átomos de carbono e hidrógeno y su importancia radica en que, en la Tierra, se forman naturalmente en el petróleo crudo por lo que tienen una amplia gama de aplicaciones como combustibles líquidos, gas natural, elaboración de plásticos, jabones, cosméticos e incluso insecticidas y plaguicidas. Por su parte, las biomoléculas contienen carbono, oxígeno e hidrógeno en su estructura además de poder contener nitrógeno, fósforo o azufre, entre otros. Forman los 4 polímeros más abundantes en los seres vivos y se dividen en glúcidos (o carbohidratos), lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Un resumen de su estructura y sus funciones más importantes se pueden ver en la tabla 1. Su importancia en la formación de las células será analizada en la asignatura Ciencias Naturales. 12 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química Tabla 1. Estructura y función de las 4 biomoléculas más importantes de los seres vivos. Glúcidos Lípidos Proteínas Ácidos nucleicos Estructura Monómero Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Nucleótidos (Aunque no siempre) Función *Energía *Estructural *Catalítica *Síntesis de *Estructural (Formación de (enzimas) proteínas *Material de membranas) *Transporte *Mantenimiento reserva *Reserva de *Nutrientes y de de la información energía reserva genética *Reguladora *Contráctiles o (algunas mótiles hormonas) *Estructural *Transporte *Defensa inmunitaria (anticuerpos) *Reguladora Fuente: elaboración propia 4. Bibliografía recomendada A continuación se presenta una serie de artículos, trabajos y ponencias adicionales a lo trabajado en la unidad. Esta información es complementaria, por lo que es recomendable su lectura: Abraham, J. M. (2003). Didáctica de la Química y vida cotidiana. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. Universidad Politécnica de Madrid. Pinto, G. (2007). Aprendizaje activo de la Física y la Química. 13 UNIDAD 3 Unidad 3. Fundamentos de Química BIBLIOGRAFÍA Areaciencias (s.f.). Estado Plasma. Areaciencias. Recuperado de: http://www.areaciencias.com/fisica/plasma.html Arillo, M.A., et al. (2015). Talleres para enseñar Química en Primaria. Universidad Complutense de Madrid. http://bit.ly/29AklFm AulaPlaneta (s.f.). 20 herramientas TIC para las clases de Física y Química. https://www.aulaplaneta.com/2015/10/29/recursos-tic/20-herramientas-tic-para-las- clases-de-fisica-y-quimica-infografia/ Caamaño, A. (2015). Sustancia Química. 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