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¿Qué son los cambios químicos?

Hablar de cambios químicos parece algo muy científico, a todos nos da la sensación que es difícil. Sin embargo, te lo vamos a explicar fácilmente, lo vas aprender para siempre y luego de leer esta nota ya sabrás detectarlos en la vida cotidiana.

Todo lo que nos rodea y ocupa un lugar en el espacio recibe el nombre de materia por definición física. Esa materia posee energía, es perceptible por nuestros sentidos y, por lo tanto, la podemos caracterizar.

La naturaleza está compuesta por materia, abarcando tanto a los seres vivos, como a los factores inorgánicos o abióticos. Si tomamos a la materia y la analizamos, podemos ver que está compuesta por sustancias (agua, tierra, etc.), estas sustancias a la vez están compuestas por elementos, y estos elementos en sus interacciones conforman los distintos tipos de moléculas que componen a todas las sustancias.

La sustancia imprescindible para la vida es el agua; sus moléculas están formadas por la interacción de los elementos Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Específicamente dos átomos de hidrógeno interactúan con un átomo de oxígeno para conformar una molécula de agua, H₂O.

Tenemos que saber que toda sustancia, según esté sometida a distintos parámetros físicos, puede presentarse en distintos estados, estos se denominan estados de agregación, se caracterizan como sólidos, líquidos y gaseosos. Así el agua, se presenta en estado sólido (cristales de hielo), líquido (el agua de lluvia, ríos, lagos…) y gaseoso (vapor de agua, nubes). La dinámica del agua queda representada en el conjunto de cambios físicos, que describe el ciclo del agua. (Ver infografía en las páginas 36 y 37).

Debemos aclarar que todas las sustancias además de adecuarse a las condiciones físicas a las que están sometidas, también están en constante contacto con otras sustancias, y de hecho pueden reaccionar entre ellas, conformando “nuevas sustancias”.
Así, se producen los cambios químicos, dando origen a nuevas sustancias o compuestos químicos. Los cambios químicos también se conocen como reacciones químicas, estas reacciones son más habituales en nuestra vida
diaria de lo que nosotros imaginamos.

Cuando se quema la madera, esta se transforma en ceniza y en humo, mientras el fuego que la quema nos calienta. Como vemos, la madera (sustancia inicial) se transforma en ceniza (sustancia final). Aquí tuvo lugar un cambio químico.

La digestión, la descomposición de los alimentos, la respiración, la fotosíntesis, entre otros, son procesos que suceden en los seres vivos a través de reacciones químicas.

Si dejamos un objeto de hierro a la intemperie, modifica su color, es decir, se oxida, transformándose en óxido de hierro.

Cuando cocinamos se generan cambios químicos, estamos mezclando diversas sustancias para conseguir otras.

Los cambios químicos son procesos en los que cambia la naturaleza de la sustancia formando otras nuevas. La sustancia es modificada irreversiblemente: un papel al ser quemado no puede volver a su estado original. Las cenizas que se obtienen fueron parte del papel original y han sido modificadas químicamente.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CAMBIOS QUÍMICOS

Para determinar si en una sustancia se han generado cambios químicos, no solo deberíamos analizar su composición química con un microscopio, sino que también podríamos realizar ciertas observaciones que nos permitirían llegar a la conclusión de que se ha generado una reacción química. A continuación explicamos los indicios típicos que suelen generarse tras una reacción química:

• Cambio de coloración: esta modificación en las sustancias permite advertir la aparición de una o de varias sustancias nuevas distintas a las iniciales.

• Aparición de sedimento o precipitado: el sedimento es la materia que después de haber estado en suspensión en un líquido, termina en el fondo por su mayor densidad. Un tipo común de sedimentación ocurre cuando el material sólido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo de un río, canal, embalse, etc. Entonces cuando observamos sedimento sobre una sustancia, podemos concluir que una o algunas de las sustancias nuevas formadas son insolubles, es decir, no se diluyen.

• Desprendimiento de gas: esto sucede en algunos casos cuando dos o más sustancias entran en contacto. Debido a que se genera una reacción química aparece una nueva sustancia que se presenta en estado gaseoso a temperatura ambiente.

• Absorción o liberación de calor: los cambios espontáneos de temperatura de la mezcla revelan que se está produciendo una reacción.

• Cambios en otras propiedades: se puede decir que también existe cambio químico cuando se observan modificaciones en la acidez, el olor, las propiedades magnéticas o eléctricas, etc.

LOS CAMBIOS QUÍMICOS EN ECUACIONES

La representación esquemática de las reacciones se denominan ecuaciones; así toda reacción química queda establecida a través de sus sustancias reactivos (R), estos interaccionan entre sí por medio de los átomos que los componen (en toda reacción hay una transferencia de energía), dando lugar a las sustancias productos (P).
Ejemplo:

REACTIVO + REACTIVO ⇒ PRODUCTO
Hierro + Oxígeno ⇒ Óxido de hierro

Las reacciones químicas son estudiadas por los científicos para determinar ciertas combinaciones que permiten la creación de productos. Existen muchas industrias, en las que se realizan reacciones químicas: las materias primas se transforman en otras sustancias diferentes y útiles para el hombre, como por ejemplo, detergentes, plásticos, etc.

LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

Una de las industrias que mayor impulso dio y da a la sociedad es la industria de la petroquímica, que se ocupa de obtener derivados químicos del petróleo y de los gases asociados.

El petróleo es un líquido viscoso cuyo color va de amarillo ámbar al negro. Se lo encuentra siempre en yacimientos de rocas sedimentarias acompañados de una mezcla de gases naturales como metano y etano. El origen del petróleo se remonta a unos cuantos millones de años atrás, donde restos de organismos, específicamente de plantas, fueron descompuestos y depositados en el fondo del mar. Allí en función de transformaciones químicas (reacciones químicas), llevadas a cabo por microorganismos durante millones de años, se formó el llamado “oro negro” (petróleo). La gasolina, el gasoil, el querosén, el propano, el metano y el butano son algunos de los combustibles fósiles que permiten el desarrollo de productos de la petroquímica.

Esta industria también posibilita la producción de fertilizantes, pesticidas y herbicidas, la obtención de asfalto y fibras sintéticas, y la fabricación de distintos plásticos. Los guantes, los borradores y las pinturas, entre muchos otros artículos de uso cotidiano, forman parte de la producción petroquímica. La combinación entre los petroquímicos básicos y distintos insumos químicos permite obtener petroquímicos intermedios como las resinas en base al metanol (utilizadas para la fabricación de gomas, plásticos, detergentes y lubricantes), los poliuretanos (empleados en la fabricación de chones y plásticos) y los acetaldehidos (que derivan en perfumes, saborizantes y otros).

La industria petroquímica exige importantes medidas de seguridad para evitar daños ambientales ya que sus procesos son potencialmente contaminantes y de alto impacto medioambiental.

Hoy en día para su extracción se invierten millones de pesos; se le llama “oro negro” por el valor que tiene en el mercado, es muy preciado y es esencial para el desarrollo de diversas actividades. Lamentablemente el petróleo, al igual que el agua, es un recurso no renovable, es decir, se formó con la propia dinámica de la tierra y podría terminarse.

Los procesos para la obtención de los productos petroquímicos se llevan a cabo en refinerías e implican cambios físicos y químicos de los hidrocarburos. El proceso básico, que divide al petróleo y al gas natural en diversos compuestos más ligeros, se conoce como cracking (se desdoblan las moléculas).

Conceptos de ácido y base: el concepto de Lewis

La principal dificultad de las definiciones de ácido y base de Brönsted y Lowry es que solo pueden aplicarse a reacciones que implican la transferencia de un protón, por lo que para que una sustancia pueda actuar como un ácido en el sentido de la definición de Brönsted-Lowry debe contener en su molécula un átomo de hidrógeno ionizable.

Sin embargo, hay muchas reacciones en las que una sustancia que de acuerdo con la teoría de Brönsted-Lowry no sería un ácido se comporta realmente como tal en el sentido más clásico del término (el de formador de sales). Así, por ejemplo, en ausencia de disolvente y, por lo tanto, sin que exista transferencia de protones, el dióxido de carbono, CO₂, reacciona con un óxido básico como el óxido de calcio, CaO, para formar una sal:

CaO + CO₂ CaCO₃

El problema estriba esencialmente en el injustificado papel especial que la teoría de Brönsted-Lowry otorga al protón. Para superar esta dificultad, Lewis propuso en 1923 un innovador concepto de ácido y base. El nuevo punto de vista no tuvo apenas eco en el mundo científico hasta que el propio Lewis volvió a presentar sus ideas más ampliamente desarrolladas en 1938. De acuerdo con esta teoría, un ácido es toda sustancia (molecular o iónica) que puede aceptar un par de electrones, y una base toda sustancia que puede ceder un par de electrones. En otras palabras, un ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y una base debe poseer un par de electrones solitarios. Entonces, la unión de un ácido y una base corresponde a la formación de un enlace covalente dativo o coordinado.

El concepto de base propuesto por Lewis coincide esencialmente con el de Brönsted-Lowry, ya que para que una sustancia pueda aceptar un protón (es decir, comportarse como base en el sentido de Brönsted-Lowry) debe poseer un par de electrones no compartidos. Por ejemplo, la molécula de agua, H₂O, y el ion cloruro, Cl^–, que pueden aceptar un protón, tienen las siguientes estructuras electrónicas:

o sea, que poseen un par de electrones no compartidos que pueden emplear para aceptar un protón, formando, respectivamente, el ion H₃O⁺ y la molécula HCl:

Evidentemente, tanto el agua como el ion cloruro pueden comportarse como bases de Lewis cediendo un par de electrones no compartidos a un ácido. Vemos, pues, que, respecto al concepto de base de la teoría de Brönsted-Lowry, el concepto propuesto por Lewis no amplía de forma significativa el número de compuestos que pueden ser considerados como bases.

Sin embargo, el caso es radicalmente distinto para el concepto de ácido. Para empezar, hay sustancias que son ácidos de acuerdo con la definición de Brönsted-Lowry y que no lo son en el sentido de Lewis. Por ejemplo, para Lewis el HCl no es realmente un ácido sino la combinación de un ácido (H⁺) y una base (Cl^–); ya vimos que el ion Cl^– es una base tanto según la definición de Brönsted-Lowry como de Lewis y ahora justificaremos que el ion H⁺ es un ácido en el sentido de Lewis mediante la reacción:

H⁺ + H₂O H₃O⁺

En la que el H⁺ acepta un par de electrones de la molécula de agua para formar un ion H₃O⁺, y se comporta por lo tanto, como un ácido. También deben ser considerados como ácidos en el sentido de Lewis los cationes metálicos, que aceptan pares de electrones al hidratarse o solvatarse. Y, volviendo a la reacción que escribimos más arriba entre el dióxido de carbono y el óxido de calcio:

CaO + CO₂ CaCO₃

También aquí debemos considerar que el CO₂ es un ácido en el sentido de Lewis, ya que en esta reacción el átomo de carbono del CO₂ acepta en covalencia dativa un par de electrones cedidos por el átomo de oxígeno del CaO:

El modelo de Lewis se utiliza en química orgánica para explicar el comportamiento catalítico de algunos compuestos que son ácidos de Lewis, pero, en general, cuando se estudian reacciones que tienen lugar en disolución acuosa o simplemente que implican una transferencia de protones, la generalización propuesta por Lewis resulta innecesaria y los químicos razonan en estos casos a partir de los conceptos de Arrhenius o de Brönsted-Lowry.

Gilbert N. Lewis (1875-1946)

Físico y químico estadounidense. Fue profesor en la Universidad de California, en la que introdujo la termodinámica como asignatura a principios de siglo. Publicó un libro de texto en 1923 que llegó a ser un libro clásico sobre termodinámica que incluía todos los avances del momento. Estudió el enlace covalente y, en 1926, propuso el nombre de fotón para el cuanto de energía electromagnética.

Conceptos de ácido y base: el concepto de Arrhenius

Arrhenius propuso definiciones precisas de ácido, base y sal basadas en su teoría de la disociación electrolítica.

Para Arrhenius, un ácido es cualquier sustancia que en disolución acuosa da iones H+ (o, para ser más precisos y puesto que estos iones se hidrolizan, iones H3O+), es decir que contiene hidrógeno reemplazable por un metal o por un radical positivo para formar sales; una base es cualquier sustancia que en disolución da iones hidroxilo OH- , es decir que contiene uno más grupos hidroxilo reemplazables por radicales ácidos negativos para formar sales; y una sal es un compuesto que se ioniza dando aniones distintos al ion OH- y cationes distintos al ion H3O+. Una sal ácida (NaHSO4, KHCO3, etc.) es la que, además de dar cationes de uno o más metales (sales dobles), da iones H3O+; análogamente, una sal básica (ClSbO, Cl(OH)Ca, etc.) es aquella que, además de los aniones que corresponden a su radical ácido, da aniones OH-. Por oposición a las sales ácidas y a las básicas, las sales normales se denominan sales neutras.

Svante August Arrhenius fue un científico sueco ganador del Premio Nobel de Química en 1903.

Átomo-gramo y molécula-gramo

Un átomo es una pieza fundamental de la materia, todo en el universo (excepto la energía) está hecho de materia y, por lo tanto, todo en el universo está hecho de átomos.

Átomo-gramo de un elemento es un peso de ese elemento igual a su peso atómico expresado en gramos. Por ejemplo, como el peso atómico del níquel es 58,71 el átomo-gramo de este elemento será 58,71 gramos.

Análogamente, para una sustancia, molécula-gramo o mol es un peso igual a su peso molecular expresado en gramos. Por ejemplo, el peso molecular del CaO es 56,08, o sea que un mol de CaO serán 56,08 gramos.

Puede darse una definición similar para equivalente-gramo.

¿Sabías qué...?

Antes de que Dalton lanzara su primer modelo atómico en 1803, Demócrito en el 450 a. C. ya había afirmado que la materia estaba formada por átomos, sin embargo, los estudios no continuaron.

De la definición se deduce que en un mol de cualquier sustancia tiene el mismo número de moléculas (pueden hacerse afirmaciones similares para el átomo-gramo y el equivalente-gramo).

Ese número es el llamado número de Avogadro, se representa como N y vale N = 6,0235·10²³. Proponemos la tarea de razonar cómo el número de Avogadro permite calcular el peso en gramos de cualquier átomo o molécula a partir de su peso atómico o molecular, y de justificar por qué es N = 1/12·P(C12), o sea un doceavo del peso en gramos del átomo del carbono-12.

Modelo atómico

El modelo atómico ha cambiado con el tiempo. Durante más de dos siglos, los científicos han creado diferentes modelos de acuerdo a lo que han aprendido, entre estos modelos están los de: Dalton, Thompson, Nagaoka, Rutherford, Bohr, Sommerfeld, Schrödinger y Dirac.

Afinidad y valencia química

Los elementos químicos son sustancias que no pueden descomponerse en sustancias más simples mediante procesos químicos ordinarios. Los elementos son los materiales fundamentales de los que se compone toda la materia.

Valencia y afinidad química

El concepto de afinidad química hace referencia a la tendencia de un átomo o de una molécula a reaccionar o combinarse con otros átomos u otras moléculas distintas. Definido en términos parecidos, el concepto ya fue introducido en la química en el s. XVIII. Pero para que un concepto tenga realmente carácter científico debe estar asociado a una magnitud medible y de ahí que en el s. XIX se explorasen posibles maneras de medir la afinidad. Se asoció finalmente con la disminución de la energía libre (función de estado de un sistema que depende de la concentración de las sustancias, la presión y la temperatura). Sin embargo, nosotros utilizaremos aquí el concepto de afinidad de un modo laxo, como un recurso de lenguaje para expresar la tendencia a reaccionar de dos sustancias, dos moléculas o dos átomos.

¿Sabías qué...?

El 6 de marzo de 1869 fue presentada por el científico ruso Dimitri Mendeleev la primera tabla periódica. El elemento radioactivo mendelevium es un homenaje a él.

Si dos elementos son afines, en condiciones adecuadas reaccionarán para formar un compuesto. Esos dos elementos se combinarán en determinada proporción, lo que sugiere el concepto de valencia química, que puede definirse como un número entero que expresa la capacidad de combinación de un átomo con otros para formar un compuesto. Aclararemos y ampliaremos esta definición con un ejemplo: el hidrógeno y el oxígeno se combinan para dar agua según la reacción

Hidrógeno + oxígeno = agua

La fórmula del agua es H₂O, lo que significa que la molécula de agua está formada por tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Así pues, el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la proporción 1:2, es decir, que el oxígeno “vale” o tiene valencia doble que la del hidrógeno. Si damos el valor 1 a la valencia del hidrógeno, la valencia del oxígeno será 2.

Las valencias son el número de enlaces que puede formar un elemento químico.

Análogamente a como hemos razonado la valencia del oxígeno se razona la valencia de otros no metales. Así, para el cloro, puesto que se une al hidrógeno para formar cloruro de hidrógeno (HCl) en la proporción 1:1, la valencia será 1; para el nitrógeno, que se une al hidrógeno para formar amoníaco (NH₃) en la proporción 1:3, la valencia será 3; y para el carbono, que se une al hidrógeno para formar metano (CH₄) en la proporción 1:4, la valencia será 4.

En el caso de los metales, la valencia se computa a partir del número de átomos de hidrógeno que el metal sustituye en un compuesto. Así, en el cloruro de sodio (sal común, NaCl) el átomo de sodio, Na, sustituye a un átomo de hidrógeno (ya que el ácido del que deriva la sal es HCl), por lo tanto la valencia del sodio es 1. En el carbonato de calcio (caliza, CaCO₃), el átomo de calcio sustituye a dos átomos de hidrógeno, por lo tanto la valencia del calcio es 2.

Existen muchos elementos que presentan valencias de valores distintos; así el nitrógeno es trivalente en el amoníaco, pero forma óxidos con las valencias 2, 3, 4 y 5.

Teoría del enlace de valencia

Es una teoría química que explica que un átomo central de una molécula tiende a formar pares de electrones, de acuerdo con las restricciones geométricas, definidas por la regla del octeto.

Inecuaciones

Las inecuaciones son expresiones matemáticas ampliamente usadas por muchas disciplinas y su solución, a diferencia de la mayoría de las ecuaciones, no comprende valores concretos sino que abarca un conjunto de números.

¿Qué es una inecuación?

Es una expresión matemática que contiene al menos una variable y está caracterizada por incluir signos de desigualdad, de manera que su resultado es un conjunto de valores que la variable puede tomar para que se cumpla la desigualdad planteada.

El conjunto solución de una solución se denomina intervalo.

Símbolos de desigualdad

La desigualdad es una expresión algebraica que sirve para relacionar dos cantidades semejantes mediante signos. Los signos matemáticos más usuales para establecer estas relaciones son:

Símbolo	Significado	Ejemplo
>	Mayor que	15 > 4
<	Menor que	3 < 7
≥	Mayor o igual que^*	a ≥ b
≤	Menor o igual que^*	b ≤ a

^*a y b pueden ser valores iguales o diferentes que permitan hacer cumplir la desigualdad.

Elementos de una inecuación

Algunos elementos son similares entre las ecuaciones y las inecuaciones. Pero se tratan de expresiones algebraicas distintas. Quizá el elemento más resaltante de toda inecuación es el signo de desigualdad. Debido a éste, la solución de dichas expresiones suelen variar un poco de la manera en la que se resuelven las ecuaciones.

Miembros: son las partes de una inecuación que están separadas por el signo de la desigualdad. En la imagen el primer miembro corresponde a 4x – 1 mientras que el segundo término corresponde a 2x + 1.

Términos: son las expresiones literales o numéricas separadas por los signos más (+) o menos (-). Son términos de la inecuación mostrada: 4x, -1, 2x y 1.

Variable: es la letra que representa al conjunto de valores que satisfacen la desigualdad.

Grado de la inecuación: se encuentra indicado por el mayor exponente que posea la variable. En el caso del ejemplo mostrado, se trata de una inecuación de primer grado porque su mayor exponente es 1. Si el mayor exponente fuera 2 sería una inecuación de segundo grado y así sucesivamente.

Las inecuaciones pueden presentarse de varias formas como fracción o valor absoluto.

Resolución de ecuaciones de primer grado

El objetivo de la resolución de una inecuación es encontrar todos los valores de la variable para los cuales es válida la expresión. Estos valores pueden pertenecer a uno o más intervalos que pueden graficarse en la recta real.

Al operar con inecuaciones se pueden observar las siguientes reglas:

La inecuación no varía cuando se suma o resta un mismo valor en ambos miembros de la desigualdad.

Por ejemplo:

Si se suma 3 a ambos miembros se obtiene:

Al sumar y restar los términos semejantes se obtiene:

El conjunto solución son todos los valores mayores a 4.

Si se multiplica o divide a ambos miembros de una inecuación por un mismo número positivo, la inecuación que resulta es equivalente a la inicial.

Se multiplican ambos miembros por 2:

Se resuelven las operaciones:

De esta forma, la ecuación

Es equivalente de la ecuación

y puede resolverse a través de la regla 1 explicada anteriormente.

Si se multiplica o divide a ambos miembros de una inecuación por un mismo número negativo, la inecuación que resulta cambiará de sentido en su signo de desigualdad y la misma será equivalente de la inecuación inicial.

Por ejemplo:

Se multiplica ambos miembros de la igualdad por -1:

Se resuelve la multiplicación y se cambia el sentido de la desigualdad:

De manera que

Es una inecuación equivalente de

Y es la misma que se resolvió en el ejemplo de la regla 1.

Las inecuaciones serán válidas para unos valores y no serán válidas para otros.

Problemas

Para resolver problemas con inecuaciones se deben aplicar las reglas explicadas anteriormente de forma tal que la variable quede localiza en un miembro de la inecuación y los términos constantes en otro.

En este caso, para eliminar el -3 del primer miembro se debe sumar a ambos miembro el número 3:

Para eliminar la x del segundo miembro se debe restar –x a ambos miembros de la inecuación:

Se resuelven las operaciones:

Por lo tanto, el resultado de la inecuación

Es decir, todos los números menores o iguales a 8.

Se puede comprobar el resultado al seleccionar un número menor igual a 8 y luego reemplazarlo en la inecuación, al final debería obtenerse una desigualdad válida.

Por ejemplo, si se selecciona el 5 que es menor a 8, y se reemplaza en la inecuación se obtiene:

Como el 7 es menor que 10, entonces 5 es parte del conjunto solución de la desigualdad.

En caso de que se consideren a los valores diferentes al conjunto solución, la desigualdad que se obtiene no será lógica.

Por ejemplo, se sabe que la solución de este problema son todos los números menores o iguales a 8. Para comprobar si es cierto, seleccionamos un número mayor a 8, para este caso seleccionaremos el 9.

Se cumplen los mismos pasos anteriores:

Como 15 no es menor a 14, entonces 9 no pertenece al conjunto solución de la inecuación.

Hay problemas que involucran paréntesis y se debe aplicar en lo posible alguna propiedad matemática como la distributiva para eliminarlos.

Se multiplican ambos miembros por 3 para eliminar el denominador de la fracción:

Se dividen ambos miembros entre -10, como es un número negativo, la dirección de la desigualdad cambia:

Se multiplican ambos lados por 5 para eliminar el denominador de la variable:

La expresión anterior también puede escribirse de forma inversa. Sólo se debe intercambiar el signo de la desigualdad:

Para tener una mejor idea del conjunto solución se suele convertir la fracción a decimal, de este modo

Lo que quiere decir que el conjunto solución son todos los números mayores o iguales a 9,5.

Una de las aplicaciones de las inecuaciones es para calcular el costo, ingreso y utilidad de una empresa.

Ciclos biogeoquímicos

Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas como el carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, toman una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en tierra, en agua o debajo de la superficie terrestre.

Procesos geológicos como la erosión, el drenaje de agua, el movimiento de las placas continentales y la meteorización, están involucrados en el ciclo de elementos en la Tierra. El reciclaje de materia inorgánica entre los organismos vivos y su medio ambiente se denomina ciclo biogeoquímico.

El término biogeoquímico proviene de los procesos biológicos, geológicos y químicos que causan la transferencia de materia.

Los ciclos biogeoquímicos pueden clasificarse como gaseosos, en los que el reservorio es el aire o los océanos (por evaporación) y sedimentarios, en el que el yacimiento es la corteza terrestre. Los gaseosos tienden a moverse más rápidamente que los sedimentarios y se ajustan más fácilmente a los cambios en la biosfera debido al gran reservorio atmosférico.

Ciclo del agua

Una molécula muy significativa en nuestro planeta que recorre los ecosistemas es la molécula de agua (H₂O). Si bien generalmente se trata del ciclo del agua como los diversos estados que presenta la misma, al menos algunas moléculas de agua son absorbidas por las plantas y se dividen en átomos de hidrógeno y oxígeno; este último se libera en la atmósfera como oxígeno molecular (O₂). Así, en virtud de los organismos fotosintéticos, el ciclo del agua es una parte importante de los ciclos del oxígeno y del hidrógeno.

La mayor parte del agua se encuentra en los océanos y las capas polares, aunque el agua también está presente en lagos y ríos de agua dulce, el cuerpo de los organismos y en el suelo como agua subterránea.

El agua se mueve entre los depósitos de almacenamiento por medio de la evaporación, la precipitación y por escurrimiento de la tierra.

El ciclo de sedimentación es una extensión del ciclo hidrológico. El agua transporta material de la tierra al océano, donde se añaden como sedimentos. El ciclo de sedimentos incluye la erosión física y química, el transporte de nutrientes y la formación de sedimentos a partir de los flujos de agua.

El ciclo de sedimentos está ligado con el flujo de seis elementos importantes, que son el hidrógeno, el carbono, el oxígeno, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Estos elementos, también conocidos como macroelementos, constituyen el 95 % de todos los seres vivos. El equilibrio de estas moléculas es necesario para sostener la vida.

Ciclo del carbono

El carbono es uno de los elementos más importantes para los organismos vivos, como lo demuestra su abundancia y presencia en todas las moléculas orgánicas. El ciclo del carbono ejemplifica la conexión entre los organismos en varios ecosistemas. El carbono se intercambia entre los heterótrofos y los autótrofos dentro y entre los ecosistemas principalmente a través del CO₂ atmosférico, una versión completamente oxidada del carbono que sirve como bloque básico para que los autótrofos puedan construir moléculas orgánicas de alta energía como la glucosa.

¿Sabías qué...?

La liberación mundial de carbono a través de las actividades humanas ha aumentado de 1 billón de toneladas al año en 1940 a 6,5 millones de toneladas en el año 2000.

Los fotoautótrofos y los quimioautótrofos aprovechan la energía del Sol y de los compuestos químicos inorgánicos para unir los átomos de carbono y transformarlos en compuestos orgánicos reducidos cuya energía se puede absorber posteriormente a través de los procesos de respiración y fermentación.

Ciclo del nitrógeno

En el suelo, así como en las raíces de ciertas plantas, el nitrógeno es fijado por bacterias, rayos y radiación ultravioleta.

Las bacterias fijan el nitrógeno elemental en una forma que puede ser usada por los organismos.

Ciertas bacterias toman las formas en las que se fijó el nitrógeno y posteriormente lo procesan. Este proceso que se conoce como oxidación proporciona energía para que el ciclo del nitrógeno tenga lugar. Las plantas absorben nitratos o iones de amonio del suelo y los convierten en compuestos orgánicos; por su parte, los animales obtienen nitrógeno mediante el consumo de plantas u otros animales.

Los residuos de los animales contienen nitrógeno; por lo tanto, independientemente de la forma de excreción del animal, algún nitrógeno se libera de nuevo en el ecosistema a través de este proceso.

Muchos problemas ambientales son causados por la interrupción del ciclo del nitrógeno gracias a la actividad humana, desde la producción de smog troposférico hasta la perturbación del ozono estratosférico y la contaminación del agua subterránea. Un ejemplo de uno de los problemas causados es la formación de gases de efecto invernadero.

Ciclo de Azufre

El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Varios grupos de microorganismos son responsables de llevar a cabo los procesos implicados en el ciclo del azufre.

El ciclo del azufre contiene tanto procesos atmosféricos como terrestres.

Dentro de la porción terrestre, el ciclo comienza con el desgaste de las rocas, lo que hace que el azufre almacenado se libere; luego entra en contacto con el aire donde se convierte en sulfato. El sulfato es absorbido por plantas y microorganismos y se convierte en formas orgánicas; los animales consumen estas formas orgánicas a través de los alimentos, de tal manera que es movido a través de la cadena alimentaria. A medida que los organismos mueren y se descomponen, se libera de nuevo como sulfato y algunos entran en los tejidos de los microorganismos. También hay una variedad de fuentes naturales que emiten azufre directamente en la atmósfera, donde se incluyen las erupciones volcánicas, la descomposición de materia orgánica en pantanos y la evaporación del agua.

El azufre eventualmente se instala en la Tierra. Una pérdida continua de este elemento ocurre a través del drenaje en lagos y arroyos, y ocasionalmente en océanos. Dentro del océano se realizan algunos ciclos de azufre a través de las comunidades marinas, que se mueven a través de la cadena alimentaria; una parte de este es emitida de nuevo a la atmósfera por la evaporación, el restante se pierde en las profundidades del océano, donde se combina con el hierro para formar el sulfuro ferroso que es el responsable del color negro de la mayoría de los sedimentos marinos.

Una tercera parte de todo el azufre que llega a la atmósfera proviene de las actividades humanas.

Ciclo del fósforo

El fósforo es un elemento importante para todas las formas de vida. Como fosfato, constituye una parte importante del marco estructural que mantiene el ADN y el ARN juntos. Al igual que el calcio, el fósforo es importante para los vertebrados; en el cuerpo humano, el 80 % del fósforo se encuentra en los dientes y huesos.

El ATP contiene tres moléculas de fosfato que requieren fósforo.

El ciclo de fósforo difiere de los otros ciclos biogeoquímicos en que no incluye una fase gaseosa; aunque pequeñas cantidades de ácido fosfórico pueden llegar a la atmósfera, lo que contribuye, en algunos casos, a la lluvia ácida. Muy poco fósforo circula en la atmósfera porque a las temperaturas y presiones normales de la Tierra, el fósforo y sus diversos compuestos no son gases. El fósforo se mueve en un ciclo a través del agua, el suelo, los sedimentos y los organismos, pero el mayor reservorio de fósforo está en la roca sedimentaria.

Los cambios en el ciclo del fósforo no tienen efectos directos sobre el clima, pero su disponibilidad condiciona la actividad vegetal y microbiana en los ecosistemas.

Con el tiempo, la lluvia y la intemperie causan que las rocas liberen iones de fosfato y otros minerales. Este fosfato inorgánico se distribuye entonces en el suelo y en el agua.

Las plantas absorben fosfato inorgánico del suelo y pueden ser consumidas por los animales; una vez en la planta o el animal, el fosfato se incorpora en moléculas orgánicas como el ADN. Cuando la planta o el animal mueren, se descomponen por la acción de bacterias, el fosfato orgánico se devuelve al suelo y puede estar disponible nuevamente para las plantas. Este proceso se conoce como mineralización.

El fósforo en el suelo puede terminar en los cursos de agua y eventualmente en los océanos. Una vez allí, se puede incorpora con el tiempo a los sedimentos.

El mismo proceso ocurre dentro del ecosistema acuático. El fósforo no es muy soluble, se une fuertemente a las moléculas en el suelo y alcanza principalmente las aguas donde viaja con las partículas de suciedad. Los fosfatos también entran en las vías fluviales a través de escurrimientos de fertilizantes, filtraciones de aguas residuales, depósitos minerales naturales y desechos de otros procesos industriales.

Aunque obviamente es beneficioso para muchos procesos biológicos, en aguas superficiales una concentración excesiva de fósforo se considera un contaminante. El fosfato estimula el crecimiento excesivo del plancton y las plantas, que tienden a consumir grandes cantidades de oxígeno disuelto, lo que potencialmente sofoca a los peces y otros animales marinos, al mismo tiempo que bloquea la luz solar disponible para las especies que habitan en el fondo. Esto se conoce como eutrofización.

Contaminación

Las actividades humanas han aumentado considerablemente los niveles de CO₂ en la atmósfera y los niveles de nitrógeno en la biosfera. Los ciclos biogeoquímicos alterados combinados con el cambio climático aumentan la vulnerabilidad de la biodiversidad, la seguridad alimentaria, la salud humana y la calidad del agua.

Estructuras de Lewis

Estudiar cómo se combinan los elementos químicos en la naturaleza es primordial para la química aplicada, es por ello que a lo largo de los años se han planteado diversas teorías y formas de representación que facilitan el entendimiento de los compuestos químicos.

Los átomos se combinan entre sí para formar diversos compuestos o sustancias químicas, esto implica la formación de enlaces químicos entre los átomos involucrados en las reacciones químicas. En función de la naturaleza química se conocen tres tipos de enlace:

Enlace iónico: se forma como resultado de las fuerzas electrostáticas existentes entre iones de carga opuesta. Este tipo de enlace implica la transferencia de electrones de un átomo a otro.
Enlace covalente: es aquel donde dos átomos comparten electrones, en función del número de electrones compartidos se distinguen tres tipos de enlaces covalente: simple (2 e^–), doble (4 e^–) y triple (6 e^–).
Enlace metálico: en este tipo de enlaces los electrones se mueven dentro de la red tridimensional del metal, lo que le confiere al mismo su propiedad característica, la conductividad eléctrica.

Los electrones que participan en un enlace químico se denominan electrones de valencia y son aquellos que se encuentran en la capa más externa de los átomos.

Estructuras de Lewis

Lewis fue un químico estadounidense que propuso simbolizar los electrones de valencia mediante el uso de puntos que se ubican arriba, abajo y a los lados del símbolo químico de cada elemento, esta forma de representación se conoce como símbolos de Lewis.

Los símbolos punto-electrón para construir las denominadas estructuras de Lewis de diversas moléculas o compuestos son una herramienta útil al momento de estudiar los enlaces químicos, formación y tipos.

Regla del octeto

Cuando se forma un enlace químico los átomos pierden, ganan o comparten electrones con la finalidad de emular la configuración electrónica del gas noble más cercano a ellos, los cuales deben su estabilidad al número de electrones que contienen en su capa de valencia.

Con excepción del helio, todos los gases nobles poseen ocho electrones en la capa de valencia, hecho en el que se fundamenta la denominada regla del octeto: los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeados por ocho electrones de valencia.

A continuación se muestran algunos ejemplos de estructuras de Lewis:

Metano
- Fórmula química: CH₄
- Tipo de enlace: covalente
- Configuración electrónica:

Estructura de Lewis:

Dióxido de carbono
- Fórmula química: CO₂
- Tipo de enlace: covalente
- Configuración electrónica:

Estructura de Lewis:

Agua
- Fórmula química: H₂O
- Tipo de enlace: covalente
- Configuración electrónica:

Estructura de Lewis:

Estructura de Lewis en compuestos iónicos

Uno de los compuestos iónicos más utilizados es la sal de mesa, compuesta por cloruro de sodio dibujar su estructura de Lewis sigue el siguiente procedimiento:

Escribir la formula química: NaCl
Conocer el tipo de enlace: iónico.
Realizar la configuración electrónica, considerando el efecto de las cargas en el anión y catión.

Realizar la estructura de Lewis.

Excepciones de la regla del octeto

La regla del octeto no se cumple para todos los compuestos químicos, las excepciones se pueden resumir en tres casos:

Moléculas que tienen un número impar de electrones

La presencia de un número de electrones impar hace imposible que los mismos se apareen totalmente y por tanto al menos uno de los átomos involucrados no alcanza el octeto. Por ejemplo el monóxido de nitrógeno (NO).

Estructura de Lewis del monóxido de nitrógeno.

Moléculas con menos de ocho electrones

Son aquellas moléculas donde un átomo o ion de la misma no puede alcanzar el octeto, un caso emblemático es el trifloruro de boro (BF₃).

Estructura de Lewis del trifloruro de boro.

Moléculas con más de ocho electrones

Son compuestos químicos donde al menos uno de los átomos o iones sobrepasa los ocho electrones en la capa de valencia. Algunos ejemplos representativos son el pentacloruro de fosforo (PCl₅).

Estructura de Lewis del pentacloruro de fosforo.

¿Qué debes saber para dibujar estructuras de Lewis?

Para dibujar una estructura de Lewis es necesario dominar los conceptos básicos de la química y sus elementos. Algunas de las consideraciones a tener en cuenta son:

Determinar los electrones de valencia de los elementos involucrados, para ello se puede usar una tabla periódica. También es importante recordar que en el caso de los iones se deben sumar o restar electrones en la capa de valencia; para los aniones cada carga negativa significa que se debe sumar un electrón, en tanto, para los cationes una carga positiva implica que se debe restar un electrón.
Escribir los símbolos químicos e indicar que tipo de enlace los une. Por lo general, las fórmulas químicas indican el orden de unión de los átomos mientras que la naturaleza del enlace está determinada por la diferencia de electronegatividad que existe entre los mismos.
Completar primero los octetos de los elementos unidos al átomo central.
Colocar los electrones faltantes en el átomo central aun si no cumplen con la regla del octeto.
Cuando el átomo central no cumple con el octeto es recomendable probar con enlaces múltiples.
Conocer las excepciones de la regla del octeto.

El peso molecular

Peso molecular de un compuesto químico es la suma de los pesos atómicos de los elementos que constituyen la molécula de ese compuesto.

Mediante un ejemplo precisaremos el concepto y mostraremos cómo se calcula el peso molecular de un compuesto (cuando se conoce con certeza su fórmula) a partir de los pesos atómicos de sus elementos constituyentes.

Ejemplo:

1) Hallar el peso molecular del carbonato de calcio, CaCO3.

Escribiremos PM (CaCO3) o simplemente PM para representar el peso molecular del carbonato de calcio y PA(Ca), PA(C) y PA(O) para representar, respectivamente, los pesos atómicos del calcio, el carbono y el oxígeno. Será:

PM= PA(Ca) + PA(C) + 3 PA(O)

Esto es porque la molécula de CaCO3 contiene un átomo de Ca, uno de C y tres de O.

Consultando la tabla de pesos atómicos encontramos que:

PA(Ca) = 40,08

PA (C) = 12,011

PA (O) = 15,999

Por lo tanto,

PM= 40,08 +12,011 +3·15,999 = 100,088

El peso molecular se refiera a la suma de los pesos atómicos de un compuesto.

Determinación experimental de los pesos moleculares

Del concepto de peso atómico se deduce que al considerar las reacciones entre todos los elementos podían encontrase relaciones similares a la relación PC = 3/7 . PSi, con lo que resultaría posible expresar todos los pesos atómicos en función del peso atómico de un elemento cualquiera, que podríamos escoger a voluntad.

Sin embargo, para los químicos de principios del s. XIX el problema era que en general no conocían las fórmulas de los compuestos y por lo tanto no podían estar seguros de si los elementos reaccionaban átomo a átomo o no, con lo cual se hacía imposible establecer con certeza relaciones entre los pesos de sus átomos.

Dalton supuso erróneamente que cuando dos elementos se combinan para dar un compuesto siempre lo hacen átomo a átomo. Así, en el caso del agua pensó que su fórmula era HO y, como había hallado experimentalmente que el hidrógeno y el oxígeno se combinan para formar agua en una proporción ponderal de 1:7 (la verdadera proporción es 1:7,9365, pero este error experimental es comprensible para la época), concluyó que el peso atómico del oxígeno expresado en la escala del hidrógeno es 7 (hoy sabemos que la fórmula del agua es H2O, por lo que el peso atómico del oxígeno, expresado en función del peso atómico del hidrógeno, es realmente 2·7,9365 = 15,873).

El problema de establecer los pesos atómicos de los elementos no pudo así resolverse hasta que se hallaron métodos prácticos para determinar por vía experimental los pesos moleculares de sus compuestos. Los métodos experimentales para la determinación de pesos moleculares son aplicables a sustancias en estado gaseoso y a solutos en disolución. La determinación del peso molecular de un gas se basa en la ecuación de estado de los gases ideales, por lo que es preciso conocer la masa de sustancia gaseosa contenida en un determinado volumen, así como ese mismo volumen y la presión y la temperatura a que se encuentra el gas. Como estas dos últimas variables son directamente medibles, lo que se determina realmente es la masa de la sustancia contenida en un volumen que se puede conocer.

Para conocer el peso molecular de sustancias sólidas se recurre a su disolución en agua o en otro líquido. Toda una serie de propiedades de las disoluciones dependen del número de moléculas que contienen disueltas en un peso dado de disolvente (propiedades coligativas), de manera que es posible calcular el peso molecular del soluto a partir, por ejemplo, del descenso del punto de congelación (crioscopia) o bien del aumento del punto de ebullición (ebulloscopia) de la disolución en relación al punto respectivo del disolvente puro.

Matrices y determinantes

Se llama matriz de orden m×n a todo conjunto rectangular de elementos a_ij dispuestos en m líneas horizontales (filas) y n verticales (columnas).

Abreviadamente suele expresarse en la forma A =(a_ij), con i =1, 2, …, m, j =1, 2, …, n. Los subíndices indican la posición del elemento dentro de la matriz, el primero denota la fila (i) y el segundo la columna (j). Por ejemplo el elemento a₂₅ será el elemento de la fila 2 y columna 5.

Dos matrices son iguales cuando tienen la misma dimensión y los elementos que ocupan el mismo lugar en ambas son iguales.

TIPOS DE MATRICES

Matriz fila: Es una matriz que solo tiene una fila, es decir m =1 y por tanto es de orden 1´n.
Matriz columna: Es una matriz que solo tiene una columna, es decir, n =1 y por tanto es de orden m ´1.
Matriz cuadrada: Es aquella que tiene el mismo número de filas que de columnas, es decir m = n. En estos casos se dice que la matriz cuadrada es de orden n, y no n ´ n.
Los elementos aij con i = j, o sea a_ii forman la llamada diagonal principal de la matriz cuadrada, y los elementos a_ij con i + j = n +1 la diagonal secundaria.
Matriz traspuesta: Dada una matriz A, se llama traspuesta de A, y se representa por A^t, a la matriz que se obtiene cambiando filas por columnas. La primera fila de A es la primera fila de At , la segunda fila de A es la segunda columna de A^t, etc. De la definición se deduce que si A es de orden m ´ n, entonces At es de orden n ´ m.
Matriz simétrica: Una matriz cuadrada A es simétrica si A = A^t, es decir, si a_ij = a_ji ” i, j.
Matriz antisimétrica: Una matriz cuadrada es antisimétrica si A = –A^t, es decir, si a_ij = –a_ji ” i, j.

Atendiendo a los elementos

Matriz nula: es aquella que todos sus elementos son 0 y se representa por 0.
Matriz diagonal: Es una matriz cuadrada, en la que todos los elementos no pertenecientes a la diagonal principal son nulos.
Matriz escalar: Es una matriz diagonal con todos los elementos de la diagonal iguales.
Matriz unidad o identidad: Es una matriz escalar con los elementos de la diagonal principal iguales a 1.
Matriz Triangular: Es una matriz cuadrada que tiene nulos todos los elementos que están a un mismo lado de la diagonal principal. Las matrices triangulares pueden ser de dos tipos:
Triangular Superior: Si los elementos que están por debajo de la diagonal principal son todos nulos. Es decir, a_ij =0 ” i<j.
Triangular Inferior: Si los elementos que están por encima de la diagonal principal son todos nulos. Es decir, a_ij =0 “j<i.

Fuente: https://ecuacionesmatematicas.wikispaces.com/matrices+y+determinantes