Química y Física

Todo aquello que tiene masa ocupa un volumen y posee cierta cantidad de energía se considera materia, palabra que deriva del latín y significa “sustancia de la que están hechas las cosas”. Ramas de la ciencia como la Física y la Química se encargan de estudiarla, y por lo tanto, dan explicación a fenómenos naturales y componentes del universo.

Química Física
¿Qué es? Rama de la ciencia. Rama de la ciencia.
¿Qué estudia? La materia: su composición, estructura y transformación. La materia: sus características en relación a la energía y el tiempo.
Enfoque Los cambios de la materia son estudiados a nivel estructural y molecular. Se ocupa de las interacciones entre sustancias y la energía, sus cambios (reacciones), síntesis y propiedades. Los cambios de la materia son estudiados en base a las propiedades comunes de materiales.

Se ocupa de los principios fundamentales de los fenómenos físicos y las fuerzas básicas de la naturaleza, así como de los principios básicos que explican la materia y energía.

Conceptos fundamentales Materia, elemento, átomo, molécula, ion, carga eléctrica, electrón, protón, neutrón, enlace, reacción, orbitales, solución y nomenclatura, entre otros. Materia, partícula, campo, onda, espacio-tiempo, posición, energía, momentum, masa, carga eléctrica y entropía, entre otros.
Etimología La palabra química tiene un origen controvertido. Proviene de la palabra alquimia y ésta deriva del árabe, aunque algunas hipótesis sugieren que deriva del griego. Uno de sus significados es “al arte de la metalurgia”. La palabra física proviene del latín y del antiguo griego y significa “natural, relativo a la naturaleza”.
Subdisciplinas
  • Química orgánica.
  • Química inorgánica.
  • Bioquímica.
  • Química analítica.
  • Química cuántica.
  • Química ambiental.
  • Química nuclear.
  • Física teórica.
  • Física experimental.
  • Física nuclear.
  • Física atómica.
  • Astrofísica.
  • Biofísica.
  • Física molecular.
Científicos destacados
  • John Dalton (1766-1844)
  • Dimitri Mendelejeff (1834-1907)
  • Amedeo Avogadro (1776-1856)
  • Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794)
  • Louis Pasteur (1822-1895)
  • Marie Curie (1867 – 1934)
  • Albert Einstein (1879 – 1955)
  • Isaac Newton (1643 – 1727)
  • Nikola Tesla (1856 – 1943)
  • Max Planck (1858 – 1947)
  • Galileo Galilei (1564 – 1642)
  • Stephen Hawking (1942 – 2018)
Algunos aportes de interés 
  • Elementos químicos.
  • Herramientas de datación.
  • Radiactividad.
  • Derivados de hidrocarburos.
  • Avances genéticos
  • Conservación de alimentos.
  • Ley de gravedad.
  • Leyes de movimiento.
  • Fuentes de energía.
  • Exploración espacial.
  • Entendimiento del mundo.
  • Rayos láser.

Calor y temperatura

Cuando calentamos algún objeto sabemos que su temperatura aumenta, no obstante, es usual que confundamos los términos temperatura y calor en la vida cotidiana, y aunque éstos tienen relación entre sí, sus significados son muy diferentes.

Calor Temperatura
¿Qué es? Es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo. Es la medida de la energía del movimiento molecular en un cuerpo.
Comportamiento La energía se intercambia entre un sistema y sus alrededores debido a la diferencia de temperatura. La temperatura aumenta conforme aumenta el movimiento o los choques entre las moléculas.
Dependencia Depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas. No depende de la velocidad, cantidad y tamaño de las partículas.
Unidades
  • Calorías (cal)
  • Joule (J)
  • Ergio (erg)
  • Grado Celsius (°C)
  • Grado Fahrenheit (°F)
  • Kelvin (K)
Instrumentos de medición Calorímetro

Termómetro

Ejemplos
  • Al servir té caliente, el agua transmite su calor a la taza.
  • Al sujetar un trozo de chocolate en la palma de la mano, éste empieza a derretirse por la transferencia de calor corporal al chocolate.
  • La temperatura para que el agua hierva es de 100 °C.
  • La temperatura corporal promedio es de 36,5 °C.
    La temperatura del ambiente está entre los 20 a 25 °C.

 

Rayos alfa, beta y gamma

Las radiaciones son partículas subatómicas. La estabilidad de un núcleo atómico depende de la cantidad de protones y neutrones en su interior, estos núcleos, cuando tienen una mayor cantidad de protones que de neutrones se consideran inestables y pueden emitir uno o vario tipos de radiaciones, como lo son las alfa, las beta y las gamma.  

Rayos alfa (\alpha) Rayos beta (\beta) Rayos gamma (\gamma)
Otros nombres Partículas alfa (\alpha) Partículas beta (\beta) Partículas gamma (\gamma)
¿Qué son? Núcleos de átomos de helio-4. Electrones. Forma de radiación electromagnética.
¿Cómo se producen? Por aceleración artificial o expulsión a partir de un átomo mayor. Por medio de la desintegración nuclear ocurrida en el núcleo de los átomos. Por desexcitación de un nucleón a un menor nivel de energía o por desintegración de isótopos radioactivo.
Constituidos por: Dos protones y dos neutrones. Electrones. Fotones.
Unidad de carga +2 -1 0
Velocidad Aproximadamente 3 . 107 m/s Aproximadamente 2,7 . 108 m/s Aproximadamente 3 . 108 m/s
Acción de un campo eléctrico y magnético Son desviadas por los campos eléctricos y magnéticos.

 

Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos en sentido opuesto a las partículas \alpha.

 

No son desviadas por campos eléctricos y magnéticos.

 

Poder de penetración Bajo. Recorren una distancia pequeña y son detenidas por una hoja de papel o por la piel del cuerpo humano. Media. Recorren hasta un metro de distancia en el aire y son detenidas por laminas delgadas de metal o madera. Alta. Recorren cientos de metros en el aire y son detenidas por paredes de cemento o concreto.
Ejemplo Cuando el núcleo del radio (Ra) se desintegra expulsa una partícula \alpha y forma el radón (Rn).

 

_{88}^{226}\textrm{Ra} \rightarrow _{86}^{222}\textrm{Rn} + _{2}^{4}\textrm{He}

Cuando el núcleo del polonio (Po) pierde un electrón y se convierte en astato (At).

 

_{84}^{218}\textrm{Po} \rightarrow _{85}^{218}\textrm{At} + _{-1}^{ 0}\textrm{e}

Cuando se desintegra el tecnecio (Te) emite rayos \gamma.

 

_{52}^{125}\textrm{Te} \rightarrow _{52}^{125}\textrm{Te} + \gamma

Alcanos, alquenos y alquinos

Los hidrocarburos son el grupo más diverso y amplio de los compuestos orgánicos y se clasifican en alifáticos o aromáticos. Dentro de los hidrocarburos alifáticos encontramos a los alcanos, los alquenos y los alquinos, todos compuestos que constituyen mayormente cadenas abiertas de carbono e hidrógeno.

Alcanos Alquenos Alquinos
Tipo de compuesto orgánico Hidrocarburo. Hidrocarburo. Hidrocarburo.
Tipo de hidrocarburo Alifático. Alifático. Alifático.
Otros nombres Parafinas. Oleofinas. Acetilenos.
Fórmula general CnH2n+2

 

Donde n es igual a la cantidad de carbonos.

n= 1,2,3…

CnH2n

 

Donde n es igual a la cantidad de carbonos.

n= 2,3…

CnH2n-2

 

Donde n es igual a la cantidad de carbonos.

n= 2,3…

Saturaciones Saturado. No saturado. No saturado.
Tipo de enlace característico Covalente simple. Covalente doble. Covalente triple.
Hibridación sp3

(en todos sus carbonos)

sp2

(en los carbonos del doble enlace)

sp

(en los carbonos del triple enlace)

Molécula más simple Metano

Eteno

Etino

 Estado físico Hasta C4H10 son gases.

 

De C5H12 en adelante son líquidos y sólidos.

 

*En condiciones estándar.

Hasta C4H8 son gases.

 

De C5H10 en adelante son líquidos y sólidos.

 

*En condiciones estándar.

Hasta C4H6 son gases.

 

De C5H8 en adelante son líquidos y sólidos.

 

*En condiciones estándar.

Punto de ebullición
  • Aumenta con el número de carbonos.
  • Es mayor en alcanos no ramificados.
  • Aumenta con el número de carbonos.
  • Es mayor en alquenos no ramificados.
  • Muy similar al de su alcano correspondiente.
  • Aumenta con el número de carbonos.
  • Es mayor en alquinos no ramificados.
  • Ligeramente más elevados que su alcano o alqueno correspondiente.
Solubilidad Insoluble en agua, pero solubles en solventes orgánicos. Insoluble en agua, pero solubles en solventes orgánicos. Insoluble en agua, pero solubles en solventes orgánicos.
Densidad Menor a 1 g/mL. Mayor a la de los alcanos. Mayor a la de sus correspondientes alcanos y alquenos.
Fuente Petróleo y gas natural.

 

Procesos de craking del petróleo natural. Deshidrogenación y deshalonación de derivados de alquenos.
Ejemplo Propano

 

Propeno

Propino

 

Primera, segunda y tercera ley de la termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que estudia la interacción del calor y otras manifestaciones de energía a nivel macroscópico. Dentro de esta disciplina existen leyes o principios que tratan  de definir cómo tienen lugar las transformaciones de energía según un sistema con restricciones implícitas.

Primera ley Segunda ley Tercera ley
Postulado por: Nicolas Léonard Sadi Carnot, Rudolf Clausius y Lord Kelvin. Marcos Favela, Clapeyron, Clausius, Lord Kelvin, Ludwig Boltzmann y Max Planck. Walther Nernst.
Enunciado “El cambio en la energía interna de un sistema cerrado, \Delta U, será igual a la energía agregada al sistema mediante calentamiento, menos el trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores”. “La entropía total de cualquier sistema más la de sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural”. “La entropía tiende a un valor constante mínimo cuando la temperatura tiende al cero absoluto. Para un elemento puro, este valor mínimo es cero, pero para todas las demás sustancia no es menor que cero, y posiblemente sea mayor”.
Fórmula \Delta U = Q - W

 

Donde:

Q; calor neto agregado al sistema.

W: trabajo neto realizado por el sistema.

dS \geq \frac{\delta Q}{T}

 

Donde:

S: entropía

Q: calor transferido al sistema.

T: temperatura de equilibrio.

\Delta S=\sum \frac{\delta Q}{T} = 0

 

Donde:

S: entropía.

Q: calor transferido al sistema.

T: temperatura de equilibrio.

Otros nombres Primer principio de la termodinámica y Principio termodinámico de la conservación de energía. Segundo principio de la termodinámica. Tercer principio de la termodinámica.
Ejemplos
  • Cuando un motor quema combustible, transforma la energía almacenada dentro de los enlaces químicos del combustible en trabajo mecánico y calor.
  • Cuando una persona corre convierte la energía que obtuvo de los alimentos en el trabajo necesario para correr, otra parte se convierte en el calor que eleva la temperatura del cuerpo.
  • Cuando una taza de café se deja sobre la mesa se enfriará conforme pasa el tiempo porque queda en equilibrio térmico con el entorno.
  • Cuando una persona está en un lugar cerra con muchas personas tiende a sudar, este sudor se vuelve más desordenado y se transfiere en forma de calor al aire.
  • Cuando se congela un alimento, así esté muy frío, sus átomos siempre estarán en movimiento.
  • Los superfluidos existen a muy bajas temperaturas puesto que la materia pierde la fricción interna entre sus moléculas, es decir, su viscosidad. El helio es la única sustancia que a temperaturas cercanas al cero absoluto es líquido.

 

Compuestos orgánicos e inorgánicos

Los compuestos químicos pueden clasificarse en dos grandes grupos: compuestos orgánicos y compuestos inorgánicos. Cada grupo presenta un conjunto de características muy particulares que hacen posible diferenciarlos fácilmente. A continuación se comparan estos dos tipos de compuestos.

Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos
Base de construcción Átomo de carbono. Mayoría de los elementos conocidos.
Tipo de enlace Enlace covalente. Predomina el enlace iónico.
Isómeros La mayoría presenta isómeros. Muy pocos presentan isómeros, son raros.
Formación estructural Átomos organizados en largas cadenas basadas en carbono, sobre las que se insertan otros elementos. No es común la formación de cadenas.
Tipo de estructura Complejas, de alto peso molecular. Simples, de bajo peso molecular.
Solubilidad La mayoría son insolubles en agua y solubles en solventes apolares. La mayoría son solubles en agua e insolubles en solventes apolares.
Punto de ebullición y fusión Bajos. Altos.
Densidad Baja. Alta.
Conductividad eléctrica No son conductores de la electricidad. Son conductores de la electricidad.
Velocidad de reacción Reacciones lentas. Reacciones muy rápidas.
Estabilidad Poco estables, se descomponen fácilmente. Muy estables.
Clasificación principal
  • Óxidos
  • Hidróxidos
  • Ácidos
  • Sales
  • Hidrocarburos
  • Oxigenados
  • Nitrogenados
Variedad Mayor a la de los compuestos inorgánicos. Menor a la de los compuestos orgánicos.
Ejemplos
  • Óxido de aluminio (Al2O3)
  • Hidróxido de sodio (NaOH)
  • Ácido fosfórico (H3PO4)
  • Bicarbonato de sodio (NaHCO3)
  • Ácido acético (CH3COOH)
  • Etanol (CH3OH)
  • Octano (C8H18)
  • Benceno (C6H6)

 

Punto de fusión y punto de ebullición

La materia tiene propiedades características y no características. Las primeras son particulares para cada sustancia ya que dependen de la naturaleza del átomo que la constituye, por lo que permiten identificar sustancias. Entre las propiedades características de la materia están el punto de fusión y el punto de ebullición.

Punto de fusión Punto de ebullición
¿Qué es? Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado sólido a líquido. Temperatura a la cual una sustancia cambia de estado líquido a gaseoso.
Condición Presión = 1 atm. Presión = 1 atm.
Tipo de magnitud Constante física. Constante física.
Fases en equilibrio Sólida y líquida. Líquido y gaseoso.
¿Qué sucede durante el equilibrio? La temperatura permanece constante a pesar de que el tiempo de calentamiento aumenta. La temperatura permanece constante a pesar de que el tiempo de calentamiento aumenta.
¿De qué depende? Tipo de enlace químico, polaridad e intensidad de las fuerzas de atracción intermolecualres. Principalmente de la presión atmosférica. También influye el tipo de enlace, polaridad e intensidad de las fuerzas de atracción intermolecualres.
En sustancias covalentes Bajo. Bajo.
En sustancias iónicas Muy alto. Muy alto.
¿Cómo determinarlo? Los aparatos más usados son:

  • Tubo de Thiele.
  • Aparato Fisher-Jhons.
  • Aparato Melt-Temp.
Los métodos más usados son:

  • Método por destilación.
  • Método de Siwoloboff.

 

Representación gráfica temperatura/tiempo
Ejemplo del proceso
  • Derretimiento de un hielo.
  • Derretimiento de una vela.
  • Fundición del hierro.
  • Hervir agua para espagueti.
  • Cocinar una sopa.
  • Hacer café.
En algunas sustancias Agua: 0 °C

Mercurio: – 38,87 °C

Etanol: – 117,3 °C

Cobre: 1.083 °C

Hierro: 1.535 °C

Agua: 100 °C

Mercurio: 356,58 °C

Etanol: 64,96 °C

Cobre: 2.595 °C

Hierro: 3.000 °C

 

Fórmula molecular, empírica y estructural

Los compuestos moleculares están formados por moléculas que a su vez contienen cantidades determinadas de átomos unidos por enlaces covalentes. Estos compuestos se representan mediante una fórmula química, es decir, una representación simbólica que indica los elementos presentes y el número de átomos de cada elemento.

Fórmula empírica Fórmula molecular Fórmula estructural
¿Qué representa? La cantidad simplificada de átomos que conforman la molécula. La cantidad real de átomos que conforman la molécula. La estructura de la moléculas y distribución espacial de sus átomos.
¿Qué muestra?
  • Los tipos de átomos.
  • Cantidad relativa de átomos.
  • Los tipos de átomos.
  • Cantidad real de átomos.
  • Los tipos de átomos.
  • Los enlaces que los unen.
Expresión matemática Fórmula empírica (FE) = Fórmula molecular (FM) / n Fórmula molecular (FM)= Fórmula empírica (FE) . n No posee.
Ejemplo 1: Glucosa C_{6}H_{12}O_{6}

 

n= 6 (múltiplo calculado experimentalmente)

FE = C6H12O6 / 6 = CH2O

CH_{2}O

 

n = 6 (múltiplo calculado experimentalmente)

FM = 6 (CH2O) = C6H12O6

Ejemplo 2: Agua H_{2}O

 

FE coincide con FM.

H_{2}O

 

FM coincide con FE.

Ejemplo 3: Amoniaco NH_{3}

 

FE coincide con FM.

NH_{3}

 

FM coincide con FE.

 

Reacciones de combinación, descomposición y desplazamiento

La materia se transforma continuamente. Cuando la transformación es interna, es decir, cuando la sustancia cambia tanto en apariencia física como composición, se habla de un cambio químico o reacción química. Éstas se pueden clasificar según el proceso químico ocurrido en reacciones de combinación, descomposición o desplazamiento.

Reacción de combinación Reacción de descomposición Reacción de desplazamiento
Proceso químico Combinación o síntesis. Descomposición. Desplazamiento o sustitución.
¿Qué ocurre? Dos o más sustancias puras se combinan para crear una nueva sustancia compuesta. Una sustancia compuesta se descompone para formar dos o más productos. Un elemento que conforma un compuesto es sustituido o desplazado por otro.
Representación A + B \rightarrow C

 

AB \rightarrow A + B

 

AB + X \rightarrow AX + B

 

Ejemplos Fe + S \rightarrow FeS

 

2 Zn + O_{2} \rightarrow 2 ZnO

2 H_{2}O \rightarrow 2 H_{2} + O_{2}

 

H_{2}CO_{3} \rightarrow CO_{2} + H_{2}O

H_{2}SO_{4} + Fe \rightarrow FeSO_{4} + H_{2}

 

2 HCl + Zn \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2}

 

Electrón, protón y neutrón

Toda la materia está formada por átomos y éstos, a su vez, por partículas subatómicas elementales como el protón, el neutrón y el electrón. Las dos primeras se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones se ubican en zonas de probabilidad alrededor del mismo. A continuación se comparan algunas de sus características más importantes.

Electrón Protón Neutrón
Descubierto por Joseph John Thomson Ernest Rutherford James Chadwick
Año de descubrimiento 1897 1918 1932
Descubrimiento experimental Thomson realizó experimentos en tubos de rayos catódicos. Observó que cuando el gas contenido dentro del tubo variaba, las partículas del rayo se comportaban de igual forma. A partir de ello, dedujo que todos los átomos tienen una o más partículas cargadas negativamente y las llamó “electrones”. Rutherford usó partículas \alpha para bombardear delgadas láminas de oro y otros metales. Observó que las mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse o con una pequeña desviación. Esto lo llevó a crear un nuevo modelo atómico que explicaba los vacíos entre las partículas atómicas y la concentración de carga positiva en un núcleo. Chadwic bombardeó una lámina muy delgada de berilio con partículas \alpha, lo que provocó la emisión de una radiación de muy alta energía, parecida a la de los rayos \gamma. Luego se demostró que esos rayos están constituidos por un tercer tipos de partícula, con masa y sin carga, a la que llamó “neutrón”.
Grupo Leptón Hadrón Hadrón
Símbolo e p+ n0
Carga negativa (-)

−1.602 176 565(35)×10−19 C

positiva (+)

1,602 176 487 × 10–19 C

neutra (0)

0

Masa 5,485 799 094 6(22)×10−4 uma 1.007276466812 uma 1,008 664 915 6(6) uma
Ubicación en el átomo