Fisicoquímica – Elbibliote.com

Cambios físicos y químicos de la materia

Todos los seres vivos, objetos y otros elementos de la naturales están formados por materiales. Los materiales a su vez están constituidos por materia, y esta experimenta distintas transformaciones continuamente. De acuerdo al resultado obtenido, estos cambios pueden ser físicos o químicos.

	Cambios físicos	Cambios químicos
Explicación	La sustancia química no cambia su composición, pero sí cambia su apariencia física.	La sustancia química varía tanto en su composición como en su apariencia física. También se llaman reacciones químicas.
Reversibilidad	Es reversible, se puede recuperar la sustancia original.	Es irreversible, la sustancia original no se puede recuperar.
Formación de una nueva sustancia	No se forma una nueva sustancia.	Se forma una o más sustancias nuevas.
Tipo de cambio	Temporal.	Permanente.
Evidencia	Cambio de estado, dilatación o fragmentación.	Formación de un sólido o de un gas; cambio de color, olor o temperatura; emisión de energía, etc.
Producción de energía	No se produce energía.	Se puede absorber o liberar energía térmica, eléctrica o lumínica.
Tipos	Fusión, evaporación, condensación, entre otros.	Combustión, fermentación, oxidación, entre otros.
Ejemplos	Cambio de hielo a agua o viceversa. Rasgadura de papel. Dar forma a la arcilla. Cortar una pila de madera. Mezcla de agua con sal.	Digestión de los alimentos. Quema de un cerillo, combustibles. Envejecer. La fotosíntesis. Oxidación de un metal.

Soluto y solvente

Una solución es una mezcla homogénea entre dos o más sustancias. La sustancia que se disuelve es el soluto, mientras que la sustancia que disuelve al soluto se llama disolvente. Existen numerosos productos en la vida cotidiana, como medicamentos, jabones y jugos de frutas, que resultan de la mezcla de un soluto con un solvente.

	Soluto	Disolvente/Solvente
Definición	Sustancia que se disuelve en un disolvente para formar una solución.	Sustancia que disuelve al soluto para formar una solución.
Estado físico	Sólido, líquido y gaseoso.	Sólido, líquido y gaseoso.
Solubilidad	Depende de las propiedades del soluto.	Depende las propiedades del disolvente.
Proporción en la solución	Menor. Si hay varios solutos, siempre estarán en menor cantidad que el disolvente.	Mayor. Determina el estado de la materia en el que existe la solución.
Solución líquida	En estado sólido, líquido y gaseoso.	En estado líquido.
Ejemplo de solución líquida (agua azucarada)	Azúcar (sólido).	Agua (líquido).
Ejemplo de solución líquida (vinagre)	Ácido acético (líquido).	Agua (líquido).
Ejemplo de solución líquida (bebida gaseosa)	Dióxido de carbono (gaseoso).	Agua (líquido).
Solución sólida	En estado sólido, líquido y gaseoso.	En estado sólido.
Ejemplo de solución sólida (acero)	Carbono (sólido).	Hierro (sólido).
Ejemplo de solución sólida (amalgama)	Mercurio (líquido).	Cobre, zinc, plata, estaño u otro metal (sólido).
Ejemplo de solución sólida (hidrógeno en paladio)	Hidrógeno (gaseoso).	Paladio (sólido).
Solución gaseosa	En estado sólido, líquido y gaseoso.	En estado gaseoso.
Ejemplo de solución gaseosa (humo)	Polvo atmosférico (sólido).	Aire (gaseoso).
Ejemplo de solución gaseosa (aire húmedo)	Agua (líquido).	Aire (gaseoso).
Ejemplo de solución gaseosa (aire)	Oxígeno (O₂), dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua, entre otros gases en pequeñas proporciones.	Nitrógeno (gaseoso).

Masa, peso y volumen

La masa, el peso y el volumen son magnitudes asociadas a un cuerpo y, por lo tanto, se pueden medir. A menudo estos términos, especialmente la masa y el peso, se usan indistintamente; sin embargo, aunque realmente no signifiquen lo mismo, están directamente relacionados.

	Masa	Peso	Volumen
Definición	Es la cantidad de materia en un cuerpo.	Es la fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo.	Es el espacio que ocupa un cuerpo en cualquier estado físico.
Símbolo	m	W	V
Unidad de medida SI	Kilogramo (kg)	Newton (N)	Metro cúbico (m³)
Otras unidades de medida	Múltiplos y submúltiplos del kilogramo,libra (lb), tonelada (t), entre otros.	Kilopondio (kp) y dina (dyn).	Múltiplos y submúltiplos del metro cúbico, litro (l), galón (gal), onza (oz), entre otros.
Tipo de magnitud	Escalar	Vectorial	Escalar
Instrumentos de medición	Balanzas y básculas.	Dinamómetros, básculas, entre otros.	Pipetas, matraces aforados, buretas, probetas, entre otros.
Fórmula	$m = \rho \cdot V$ m: masa ρ: densidad V: volumen	$W=m\cdot g$ W: peso m: masa g: aceleración de la gravedad	$V=\frac{m}{\rho }$ m: masa ρ: densidad V: volumen
Ejemplos	Un objeto en la Luna o en la Tierra siempre va a tener la misma masa.	El peso en la Tierra y el peso en la Luna del mismo objeto es diferente.	La capacidad de una botella agua representa el volumen del espacio que ocupa la sustancia.

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 varios 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	C_nH_2n+2 Donde n es igual a la cantidad de carbonos. n= 1,2,3…	C_nH_2n Donde n es igual a la cantidad de carbonos. n= 2,3…	C_nH_2n-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 cerrado 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