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.

Reflexión y refracción

Las ondas suelen cambiar su comportamiento cuando se encuentran con un obstáculo en su recorrido. La superficie que separa los dos medios es la interfaz, y justo allí las ondas pueden pasar de un medio a otro si cambian la dirección de su movimiento o si bordean el obstáculo, lo logran gracias a fenómenos como la reflexión, refracción y difracción.

Reflexión Refracción
¿Qué es? Cambio de dirección del movimiento de una onda. Cambio de dirección del movimiento de una onda.
¿Cuando ocurre? Cuando la onda choca con un obstáculo. Cuando la onda pasa de un material a otro.
Elementos:

1. Ondas incidentes

Es el frente de ondas que inciden sobre el obstáculo. Es el frente de ondas que se propagan en el primer medio.
Elementos:

2. Ángulo de incidencia (i)

Es el ángulo que forma el rayo incidente con dirección determinada por la normal del obstáculo. Es el ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la interfaz entre los medios materiales.
Elementos:

3. Ondas resultantes

Llamada onda reflejada, es el frente de ondas que se aleja del obstáculo. Llamada onda refractada, es el frente de ondas que se propagan en el segundo medio.
Elementos:

4. Ángulos resultantes

Llamado ángulo de reflexión (r), es el ángulo que forma el rayo reflejado con la dirección determinada por la normal del obstáculo. Llamado ángulo de refracción (r), es el ángulo que forma el rayo refractado con la normal de la interfaz.
Representación
Ejemplo

El reflejo de un paisaje sobre el agua se debe al rebote de la luz sobre la superficie que no puede atravesar.

Al introducir un lápiz dentro de un vaso pareciera que éste se quebrara, sucede porque la luz se desvía al cambiar de medio.

 

Sistemas abiertos y sistemas cerrados

Los sistemas son elementos o unidades que se caracterizan por estar interrelacionados y tener un propósito en común. Los sistemas generalmente se clasifican en dos tipos: sistemas abiertos y sistemas cerrados, de acuerdo al intercambio de energía y materia.

Sistemas abiertos Sistemas cerrados
Definición Son aquellos en los que una cantidad o una serie de cantidades de materia y energía puede entrar o salir del sistema en un grado significativo. Son aquellos en los que una cantidad o una serie de cantidades de energía puede entrar o salir del sistema en un grado significativo.
Intercambio de energía Sí. Sí.
Intercambio de materia Sí. No.
Ejemplos El cuerpo humano, la Tierra y muchos ecosistemas. Una olla de presión, el motor de un auto y el televisor, entre otros.

 

Generación espontánea

Durante milenios los seres humanos se han preguntado cómo surge la nueva vida, y esto se ha mantenido en una constante disputa entre la religión, la filosofía y la ciencia. Una de las primeras explicaciones fue la teoría de la generación espontánea, ampliamente aceptada durante la Edad Media.

Teoría de la generación espontánea

Esta teoría tiene como objetivo explicar el surgimiento aparentemente repentino de organismos en la materia inerte. Sugiere que estos no descienden de otros organismos y que sólo requiere que se cumplan ciertas condiciones en su entorno para que ocurra la creación.

La generación espontánea es la hipótesis incorrecta de que las cosas no vivas son capaces de producir vida.

Aristóteles como precursor

Aristóteles fue quien teorizó que la materia no viva contenía un calor vital llamado pneuma. Sugirió que los animales y las plantas podrían surgir de la tierra y del líquido, porque había calor vital en el aire, aire en el agua y agua en la tierra. Esta creencia sentó las bases para la teoría de la generación espontánea.

Generación espontánea de ratones

Para crear ratones se requiere que la ropa interior sucia y el grano de trigo se mezclen y se dejen al aire libre. En 21 días o menos, aparecerían los ratones. La causa real puede parecer obvia desde una perspectiva moderna, pero para los defensores de esta idea, los ratones surgieron espontáneamente de los granos de trigo.

La teoría de la generación espontánea persistió en el siglo XVII, cuando los científicos realizaron experimentos adicionales para apoyarla o refutarla.

Redi Vs. Needham

En 1668 un científico italiano llamado Francesco Redi diseñó un experimento para probar la creación espontánea de gusanos. Redi sospechaba que las moscas que aterrizaban en la carne ponían huevos y estos eventualmente se convertían en gusanos.

Para probar esta idea realizó el siguiente experimento:

  1. Usó tres piezas de carne.
  2. Una de ellas la colocó debajo de una hoja de papel, como resultado las moscas no pudieron poner huevos en la carne y no se desarrollaron gusanos.
  3. La segunda pieza la dejó al aire libre, donde aparecieron los gusanos.
  4. La tercera pieza la cubrió con una gasa. Las moscas fueron capaces de poner los huevos en la gasa pero en la carne no se desarrollaron gusanos.
  5. Para concluir, colocó la gasa que contenía los huevos en un trozo de carne fresca y observó como se desarrollaron los gusanos.
El experimento de Redi demostró que fueron los huevos los que originaron las moscas y no la generación espontánea.

En Inglaterra, John Needham desafió los hallazgos de Redi al realizar un experimento en el que colocó un caldo orgánico en una botella, lo calentó para matar cualquier organismo que estuviese dentro y luego la selló. Días después, informó sobre la presencia de vida en el caldo y anunció que la vida había sido creada a partir de materia no viva.

Experimento de Spallanzani

Lazzaro Spallanzani, también un científico italiano, revisó los datos y el diseño experimental de Redi y Needham y concluyó que quizás el calentamiento de la botella de Needham no mató todo lo que había dentro, por lo que construyó su propio experimento.

  1. Colocó caldo en cada una de las dos botellas.
  2. Hirvió el caldo en ambas botellas.
  3. Selló una botella y dejó la otra abierta.
  4. Días después, la botella sin sellar estaba llena de pequeños seres vivos que observó con más precisión en el microscopio recién inventado. La botella sellada no mostraba signos de vida.
El experimento de Spallanzani ciertamente excluye a la generación espontánea como una teoría viable.
Llegada de la microscopía

La invención del microscopio en ese momento sirvió para realzar la creencia de la generación espontánea. La microscopía reveló un mundo completamente nuevo de organismos que parecían surgir espontáneamente.

Algunos científicos notaron que Spallanzani, al haber privado la botella de aire, había obviado el hecho de que éste era necesario para la generación espontánea. Aunque su experimento fue exitoso, una fuerte refutación debilitó sus afirmaciones.

Experimento de Pasteur

Louis Pasteur, un científico francés, aceptó el desafío de recrear el experimento y dejar el sistema abierto al aire.

  1. Diseñó varias botellas con cuellos curvos en S orientados hacia abajo para que la gravedad impidiera el acceso de materiales extraños en el aire.
  2. Colocó un caldo enriquecido con nutrientes en una de las botellas de cuello de cisne.
  3. Hirvió el caldo y no observó vida en la botella durante un año.
  4. Luego rompió la parte superior de la botella, la expuso más directamente al aire y observó formas de vida en el caldo en unos días.

Concluyó que mientras el polvo y otras partículas en el aire quedaran atrapadas en el cuello en forma de S de la botella, no se crearía vida hasta que se eliminara ese obstáculo.

Pasteur finalmente convenció al mundo de que aunque la materia inerte estuviese expuesta al aire no surgirían formas de vida en ella.
¿Sabías qué...?
La pasteurización originalmente fue el proceso de calentar los alimentos para eliminar microorganismos dañinos antes del consumo humano.

 

 

Relación de la biología con otras ciencias

La biología es el estudio de la vida, que incluye el origen, la evolución, la función, la estructura y la distribución de los organismos vivos. Esta ciencia se ocupa también de la clasificación de los organismos y de la interacción de estos dentro de un entorno.

No se puede negar la interrelación que existe entre las diferentes ramas de la ciencia. Cada una de ellas se relaciona con otras y en particular la biología, ya que esta necesita como base la inclusión de otras ciencias para el estudio de los organismos. Esto constituye la base de las ciencias interdisciplinarias.

La biología está ligada a otras ciencias de la siguiente manera:

Física

La física proporciona la base para la biología. Sin espacio, materia, energía y tiempo, que son los componentes que conforman el universo, los organismos vivientes no existirían.

La física ayuda a explicar cómo los murciélagos usan ondas de sonido para volar en la oscuridad y cómo las alas dan a los insectos la capacidad de moverse por el aire.
La física ayuda a explicar cómo los murciélagos usan ondas de sonido para volar en la oscuridad y cómo las alas dan a los insectos la capacidad de moverse por el aire.

En algunos casos, la biología ayuda a probar las leyes y las teorías físicas. El físico Richard Feynman afirma que la biología ayudó a los científicos a elaborar la ley de conservación de la energía.

La interacción entre estas dos ciencias dio origen a la biofísica, que se ocupa del estudio de los principios de la física, aplicables a los fenómenos biológicos. Por ejemplo, hay una similitud entre los principios de trabajo de la palanca en la física y las extremidades de los animales en la biología.

Química

La química y la biología no solo están relacionadas, sino que están completamente entrelazadas, ya que todos los procesos biológicos derivan de procesos químicos. Así que la capacidad de crecimiento, reproducción, actividad funcional y cambio continuo en los seres vivos no puede ocurrir sin reacciones químicas.

Incluso los procesos aparentemente físicos, tales como el movimiento muscular, requieren de la liberación de energía química, que siguen procesos ordenados por el código de ADN de un organismo.

El ADN es en sí mismo una cadena codificada de sustancias químicas que implementa sus instrucciones mediante procesos químicos.

Es allí, por tanto, que entra la bioquímica una rama específica del estudio biológico que se centra en los soportes químicos de la vida misma. Trata del estudio de la química de los diferentes compuestos y procesos que se producen en los organismos vivos.

El estudio de los metabolismos básicos de la fotosíntesis y la respiración se basan en reacciones químicas.
El estudio de los metabolismos básicos de la fotosíntesis y la respiración se basan en reacciones químicas.

Estrecha relación con la Física y la Química

Inicialmente, la biología era una ciencia descriptiva que buscaba estudiar la morfología de los seres vivos y su organización sistemática en grupos y subgrupos basados en similitudes y diferencias.

El conocimiento actual en el campo de la biología se ha logrado con la ayuda de ciencias como la física y la química. Este enfoque multidisciplinario es esencial por diversos motivos:

  1. Todos los organismos vivos están formados por compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos en agua.
  2. Los compuestos inorgánicos se presentan en forma de iones. Estos influyen en el ambiente interno de los seres vivos y, en consecuencia, en los procesos de la vida.
  3. El equilibrio ácido-base mantiene el pH específico dentro de los organismos para proporcionar el entorno más adecuado en la realización de diversas reacciones bioquímicas.
  4. La tensión superficial y la capilaridad producida por la fuerza cohesiva y adhesiva de los líquidos también ayudan en ciertos procesos de vida.
  5. La difusión y la ósmosis son responsables del movimiento de iones y moléculas dentro y fuera de las células.
  6. La transferencia de energía y la transformación de energía son dos acontecimientos importantes en todas las células vivas.

Matemática

A diferencia de la física y la química, la biología no suele ser una ciencia asociada a las matemáticas. Pero debido a que hay aspectos cuantificables de las ciencias de la vida, las matemáticas juegan un papel importante en la comprensión del mundo natural.

La biología matemática es un campo de investigación que examina las representaciones matemáticas de los sistemas biológicos.
La biología matemática es un campo de investigación que examina las representaciones matemáticas de los sistemas biológicos.

Ejemplo cuantificable

Un biólogo que estudia migraciones de mariposas entra en el campo y cuenta una población de la muestra en una región confinada y después multiplica los números de la muestra por el rango geográfico total para conseguir una estimación de la población.

A continuación, vuelve a su laboratorio y revisa los informes de otros investigadores que describen el lapso del patrón de migración y el uso de cálculos vectoriales para predecir su futuro recorrido. Finalmente, examina los datos de años anteriores sobre el número de mariposas y la ubicación para establecer un margen de error probable para su predicción.

En cada paso de este proceso, intervienen las matemáticas para medir, predecir y comprender los fenómenos naturales.

Un subcampo de la ciencia biológica es el campo de la bioestadística, en el cual se usan análisis estadísticos para describir y explicar las ciencias de la vida, con el propósito de encontrar correlaciones o relaciones interdependientes entre variables y comparar variables entre sí.

Geografía

La geografía y la biología se relacionan en el estudio de la ocurrencia y distribución de diferentes especies de organismos en las distintas regiones geográficas del mundo, esto es lo que se conoce como biogeografía.

La biogeografía aplica el conocimiento de las características particulares de las regiones geográficas para determinar las de los organismos vivos allí encontrados.

Antropología

La antropología biológica es el estudio de la evolución de la especie humana y se ocupa especialmente de comprender las causas de la diversidad humana actual. Dentro de esta definición abarca campos tan heterogéneos como la paleontología humana, la biología evolutiva, la genética humana, la anatomía comparada y la fisiología, el comportamiento de los primates, la ecología del comportamiento humano y la biología humana.

La biología y la antropología se unen en la búsqueda de fósiles que permitan explicar el origen y evolución de la humanidad.
La biología y la antropología se unen en la búsqueda de fósiles que permitan explicar el origen y evolución de la humanidad.

Agronomía

La relación se da por medio de la agricultura biológica, la cual entiende la necesidad de equilibrio entre los tres aspectos del suelo, físico, químico y biológico para sostener la vida.

Todo proviene del suelo y vuelve al suelo, es un sistema no vivo con billones de organismos que reciclan nutrientes y sostienen la vida.

La forma en que se maneja el suelo y la vida microbiana determina la vitalidad de los alimentos de origen vegetal que consumimos.
La forma en que se maneja el suelo y la vida microbiana determina la vitalidad de los alimentos de origen vegetal que consumimos.

La pareja dispareja

Hay casos en que la física no puede explicar los sucesos biológicos y viceversa. La física y la biología no pueden explicar el origen de la vida o cómo los objetos inorgánicos pasaron a la vida orgánica. La Universidad de Cornell de Nueva York afirma que la teoría biológica de la evolución contradice la segunda ley de la termodinámica, puesto que la naturaleza no puede crear el orden a partir del desorden y la evolución es un proceso que crea niveles crecientes de orden.

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.

Tipos de sistemas

La termodinámica se refiere al estudio de la transferencia de energía. Dentro de esta rama, la materia es un elemento fundamental ya que es la que conforma, junto con el entorno, sistemas claves que permiten el entendimiento de muchos procesos que se dan en nuestro planeta.

¿Qué es un sistema?

Un sistema se define como un grupo de unidades interactivas o elementos que tienen un propósito común. Estas unidades o elementos pueden ser engranajes, cables, personas, animales y computadoras, entre otros. Los sistemas generalmente se clasifican como sistemas abiertos y sistemas cerrados, y pueden tomar la forma de sistemas mecánicos, biológicos o sociales.

Sistemas y subsistemas

Algunos grandes sistemas son divididos (para poder ser estudiados por el hombre) en subsistemas, como por ejemplo la Tierra, un gran sistema abierto que cuenta con 4 subsistemas que corresponden con sus capas: atmósfera, biosfera, hidrósfera y geósfera.

Como todo en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas.

Un sistema puede ser conceptual o real, por ejemplo, un sistema conceptual incluye definiciones, símbolos e instrumentos del pensamiento, como por ejemplo, sistemas matemáticos o sistemas lógicos. En cambio, los sistemas reales incluyen la transferencia de materia, energía o información con su entorno; las células y la biósfera son ejemplos perfectos de sistemas reales, ya que ellos están en constante intercambio de energía y materia con el entorno (abierto), por supuesto, existen sistemas reales en los que solo se intercambia energía (cerrados) o sistemas en los que no existe ningún tipo de intercambio (aislados).

En el campo de la informática es concepto de sistemas es muy aplicado. Un sistema informático incluye el hardware, el software y el soporte humano.

¿Qué es la teoría de los sistemas?

La teoría de sistemas es una teoría interdisciplinaria sobre la naturaleza de los sistemas complejos en la naturaleza, la sociedad y la ciencia, y es un marco por el cual uno puede investigar y/o describir cualquier grupo de objetos que trabajen juntos para producir algún resultado. Esto podría ser un solo organismo, cualquier organización o sociedad, o cualquier artefacto electromecánico o informativo. Fue propuesta por el biólogo austriaco Ludwig von Bertalanffy en 1950 y su objetivo final era estudiar la aplicabilidad de los sistemas en las distintas ramas de estudio.

¿Cuáles son los tipos de sistemas?

Un sistema abierto es aquel en el que una cantidad o serie de cantidades puede entrar o salir del sistema en un grado significativo. En los sistemas abiertos intervienen seres vivos que tienen una relación íntima con el ambiente que los rodea de la misma manera, el ambiente interacciona con dichos seres vivos. ambos se benefician y dependen el uno del otro.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos, la energía se intercambia entre ellos y su entorno, ya que consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al medio ambiente al hacer el trabajo. El cuerpo humano es un ejemplo muy común de sistema abierto, ya que está en constante intercambio de materia y energía y siempre necesita insumos orgánicos que obtiene del ambiente. Por otro lado, el cuerpo también expulsa sustancias de desecho de vuelta al medio ambiente. Si alguna de estas dos interacciones falla, el sistema, es decir, el cuerpo, fallece.

Las plantas también son sistemas abiertos, ellas necesitan la materia (agua y nutrientes) y la energía del Sol para realizar sus funciones metabólicas.

¿Qué son los sistemas cerrados?

Un sistema cerrado es aquel donde una cantidad o serie de cantidades de materia no puede entrar o salir del sistema. Por ejemplo, un termo de vacío hace un buen trabajo para evitar que la materia salga del sistema y mantiene la bebida caliente, por lo tanto, podría tener sentido tratarlo como un sistema cerrado, pero ningún sistema en el mundo real está perfectamente cerrado, por lo que solo será una aproximación.

Las ollas de presión son otro ejemplo común, en ellas existe un intercambio de energía, pero la materia no es liberada, las ollas impiden que los gases que se generan en su interior para cocinar la comida escapen. Sin embargo, la energía en forma de calor sí escapa y la energía necesaria para iniciar la cocción también proviene del medio exterior.

Las ollas a pesar de dejar escapar la energía no dejan escapar la materia.

¿Qué son los sistemas aislados?

Son aquellos en los que no existe ningún cambio, ni de materia, ni de energía, esto no ocurre tan estrictamente, y en muchos de los sistemas considerados aislados hay pequeños intercambios con el entorno a lo largo del tiempo. Los ejemplos clásicos de sistemas aislados son los termos o los conservadores de hielo.

Los sistemas nunca permanecen completamente aislados ya que con el tiempo alguna perturbación puede provocar alguna liberación de materia o energía.

¿Sabías qué...?
La Tierra es considerada un sistema material ya que está en constante intercambio con el espacio, recibe micrometeoritos y otros tipos de materia e intercambia moléculas al exterior.

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 carbono

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.

Teoría Cinético Molecular

Todas las partículas tienen energía que varía de acuerdo a la temperatura de la muestra, lo que determina si la sustancia es un sólido, un líquido o un gas. Las partículas sólidas tienen la menor cantidad de energía, mientras que las partículas de gas poseen la mayor cantidad.

¿En qué consiste esta teoría?

La teoría cinética de la materia afirma que ésta se compone de un gran número de pequeñas partículas o moléculas individuales que están en constante movimiento. Ayuda a explicar el flujo o transferencia de calor y la relación entre la presión, la temperatura y las propiedades del volumen.

¿Sabías qué...?
La teoría cinética de la materia también es ilustrada por el proceso de difusión, donde se da el movimiento de partículas desde una alta concentración a una baja concentración.

Es un modelo utilizado para explicar el comportamiento de la materia y se basa en una serie de postulados:

  • La materia está hecha de partículas en constantemente movimiento.
  • La energía en movimiento se llama energía cinética y la cantidad en una sustancia está relacionada con su temperatura.
La materia puede existir en las fases sólida, líquida y gaseosa.
  • Hay espacio entre las partículas. El tamaño de este espacio está relacionado con el estado de la sustancia.
  • Los cambios de fase ocurren cuando la temperatura de la sustancia cambia lo suficiente.
  • Hay fuerzas de atracción entre las partículas llamadas fuerzas intermoleculares que aumentan a medida que dichas partículas se acercan.

 

Si hay un aumento de temperatura, los átomos y moléculas ganarán más energía y se moverán aún más rápido.

Propiedades de los líquidos

Una de las propiedades más notables de los líquidos es que son fluidos, es decir, pueden fluir. Los líquidos tienen un volumen definido, pero no una forma definida. El movimiento de las partículas está restringido en gran medida por el volumen del líquido.

Hay menos espacio entre las partículas que en los gases, pero hay más que en los sólidos. Las partículas líquidas también tienen relativamente más energía que las partículas sólidas, es lo que permite que los líquidos fluyan.

Las fuerzas intermoleculares en un líquido dependen de la composición química del propio líquido.

La fuerza intermolecular se ve afectada por la cantidad de energía cinética en la sustancia; cuanta más energía cinética exista, más débil es la fuerza entre las moléculas. Los líquidos tienen más de esta energía que los sólidos, por lo que las fuerzas entre sus partículas tienden a ser más débiles.

Propiedades de los sólidos

Las sustancias sólidas tienen formas y volúmenes definidos. Las partículas sólidas tienen relativamente poca energía cinética y vibran en su lugar. Debido a esto, no pueden fluir como los líquidos. En los sólidos, el movimiento de partículas está completamente restringido dentro de un área pequeña, lo que ayuda al sólido a mantener su forma.

La energía cinética está determinada básicamente por la velocidad de cada partícula participante.

La mayoría de los sólidos están dispuestos en una estructura apretada, de manera ordenada y repetitiva de partículas llamada red cristalina. La forma del cristal muestra la disposición de éstas en el sólido.

Algunos sólidos no tienen forma cristalina y son llamados sólidos amorfos porque no tienen estructuras internas ordenadas. Ejemplos de sólidos amorfos son el caucho, el plástico, la cera y el vidrio.

Los sólidos se pueden moldear en cualquier forma.

Propiedades de los gases

La teoría cinética explica la temperatura, la presión y el volumen de un gas en términos del movimiento de moléculas.

Según esta teoría, los gases están formados por partículas diminutas que se encuentran en movimiento aleatorio y además experimentan colisiones entre sí y con las paredes del contenedor, pero de lo contrario no interactúan.

En un medio gaseoso el espacio entre las partículas es muy grande, esto da como resultado la ausencia de fuerzas atractivas o repulsivas entre las moléculas.

En la teoría cinética se hacen las siguientes suposiciones acerca de los gases ideales:

  • El gas contiene un gran número de moléculas idénticas.
  • Las colisiones entre moléculas son perfectamente elásticas, al igual que las moléculas y las paredes del contenedor.
  • El tiempo de colisión es insignificante en comparación con el tiempo transcurrido entre las colisiones.
  • Las moléculas no se atraen entre sí si no hay fuerzas intermoleculares.
  • Las moléculas están en constante movimiento al azar.
  • El volumen de las moléculas es despreciable en comparación con el volumen del gas o el recipiente.
  • Las leyes del movimiento de Newton pueden aplicarse a las moléculas
  • La energía cinética media de una colección de partículas de gas depende de la temperatura del gas y nada más.
Plasma

Los plasmas son gases ionizados que en su forma natural son poco comunes en la Tierra. Se pueden observar en cosas artificiales, como letreros de neón y bombillas fluorescentes. Pero en el resto del universo el plasma es la fase más común de la materia. La mayoría de las estrellas son de plasma, al igual que las luces del norte que se ven alrededor de las regiones polares.

 

Formas físicas en que se presenta la materia

La materia puede presentarse en dos formas distintas: homogénea y heterogénea, según que sus propiedades y su composición sean las mismas en cualquier punto o cambien al pasar de un punto a otro. La homogeneidad, tal como se entiende en química, es, pues, homogeneidad respecto a la subdivisión.

En cambio, un material heterogéneo es una mezcla en la que cada porción homogénea de la misma constituye lo que se denomina una fase. Una roca de granito, por ejemplo, es un material heterogéneo en el que se pueden observar a simple vista distintos componentes: partículas pequeñas y oscuras de mica, cristales de cuarzo duros y transparentes, y cristales oblongos y grises de feldespato. Cada fase de una mezcla presenta distintas propiedades y la separación de las mismas puede en general realizarse por medios mecánicos.

Sustancia pura y disolución

Una sustancia pura o especie química es una fase homogénea de composición constante. Si la composición de una fase homogénea puede variar se habla de disoluciones. Las disoluciones pueden ser de distintos tipos, pero las más comunes son de un sólido en un líquido; por ejemplo, de sal común en agua.

La composición de una sustancia o cuerpo puro no varía con los cambios de estado. Así, el agua tiene la misma composición en forma de hielo, de agua líquida o de vapor. Si se varía la presión, la temperatura de fusión (o solidificación) de una sustancia pura también varía, pero tampoco en este caso cambia la composición del líquido (o sólido) que se obtiene. En cambio, la composición de una disolución sí varía con los cambios de estado o con los cambios de presión y temperatura. Por ejemplo, si se enfría una disolución en agua caliente de sal común, parte de la sal precipita, ya que la sal es más soluble en agua caliente que en agua fría.

 

Una disolución puede variar su composición luego de un cambio de estado.

Elementos y compuestoS químicos

El agua y el azufre, por ejemplo, son sustancias puras, pero la primera es un compuesto y la segunda es un elemento o, en otras palabras, la molécula de agua está formada por dos átomos de distinto tipo (hidrógeno y oxígeno), mientras que la molécula de azufre está formada únicamente por átomos de azufre. Si sometemos el agua a cambios de estado, su composición no varía (es una sustancia pura), pero por medios químicos podemos descomponerla en hidrógeno y oxígeno, sus elementos constituyentes. Esto puede lograrse, por ejemplo, haciendo pasar vapor de agua sobre hierro calentado al rojo: el hierro extraerá el oxígeno de las moléculas de agua dando origen a la formación de un óxido de hierro, mientras que el hidrógeno quedará libre.

Con el azufre es imposible hacer algo así: podemos calentarlo y su molécula pasará de una forma (alotrópica) a otra, pero seguirá estando formada únicamente por átomos de azufre. También podemos intentar hacerlo reaccionar con otro elemento o con un compuesto, pero siempre tendremos lo mismo: azufre que no ha entrado en combinación o bien azufre que se ha combinado con otros elementos, nunca dos componentes distintos de esa sustancia que a la que llamamos azufre, por la simple razón de que se trata realmente de un elemento químico y, por lo tanto, está constituido por un único tipo de átomos.

Disoluciones

Las disoluciones o soluciones son sistemas formados de dos componentes: el disolvente y el soluto.

Se llama disolvente al componente más abundante, y soluto al que se halla en menor cantidad; sin embargo, en la práctica, en muchos casos no queda claramente delimitado cuál de los componentes es el soluto y cuál el disolvente.

En el lenguaje corriente, cuando se habla de disoluciones se suele hacer referencia a disoluciones de un soluto sólido en un disolvente líquido (casi siempre agua, con mucho el más común de los disolventes de sustancias inorgánicas), pero de hecho hay otros ocho tipos de disoluciones, ya que tanto el soluto como el disolvente pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso.

En una solución solo se distingue una fase de la materia.

La mayoría de las reacciones químicas se producen con las sustancias reaccionantes disueltas, y para el reconocimiento de una sustancia o la determinación de algunas de sus características a menudo es conveniente recurrir a su disolución. De ahí la gran importancia que posee su estudio. Por ahora sólo indicaremos que conviene distinguir entre disoluciones diluidas (poco soluto), concentradas (bastante cantidad de soluto) y saturadas (aquellas en que el disolvente no puede admitir más soluto). En disolución acuosa muchos compuestos se ionizan y entonces estas disoluciones son conductoras de la electricidad.

Disolventes fundamentales para el químico son: el agua, el agua destilada, los ácidos y bases inorgánicos, la bencina, el alcohol ordinario, la acetona, el éter, el sulfuro de carbono, etcétera.

Dispersiones coloidales

La distinción entre mezcla y disolución a partir de su homogeneidad o heterogeneidad es muy precisa en el ejemplo del granito y puede asimismo ser suficientemente precisa en el caso de las suspensiones. Un ejemplo de suspensión puede ser la de arena muy finamente pulverizada mezclada en agua: a diferencia de lo que ocurriría si se tratase de una disolución, la arena acaba por depositarse, aunque lo hará tanto más lentamente cuanto menores sean las partículas. La explicación de este diferente comportamiento estriba en que en una suspensión las partículas están constituidas por agrupaciones de un número muy grande de moléculas, mientras que en una disolución las partículas son moleculares.

Un caso menos evidente es el de las dispersiones coloidales, en las que las partículas tienen un tamaño que, aun siendo considerablemente superior al de las partículas en disolución, es muy inferior al de las partículas de las suspensiones, hasta el punto de que las partículas coloidales pasan a través de todos los filtros corrientes y no se depositan ni siquiera después de un período de reposo prolongado. Para fijar ideas, se puede afirmar que si el tamaño de las partículas es mayor que 0,2 (micras, siendo 1 = 10-3 mm) nos hallamos ante una suspensión; cuando está comprendido entre 0,2 y 1 m (milimicra, 10-6 mm), se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que 1 m, se puede hablar propiamente de disolución. En el caso de las dispersiones coloidales, se habla de fase dispersa y de medio de dispersión, conceptos equivalentes a los de soluto y disolvente usados en el caso de las disoluciones. Como en el caso de las disoluciones, existen nueve tipos distintos de dispersiones coloidales, correspondientes a los tres posibles estados de la fase dispersa y del medio dispersante.

Separación de mezclas heterogéneas

En muchas ocasiones, tanto en el laboratorio como en la industria, se plantea la necesidad de separar los distintos componentes de una mezcla. Entre las distintas técnicas que se emplean con este fin cabe mencionar las siguientes:

  • Para separar sólidos de líquidos:
  • Separación por decantación, que consiste en dejar que el sólido acabe por depositarse en el fondo de un recipiente (en ocasiones, la decantación puede acelerarse por centrifugación);
  • Separación por filtración, en la que se utiliza un material (papel de filtro, porcelana porosa, etc.) que por el tamaño de sus poros permite el paso del líquido pero no el de las partículas sólidas;
  • Separación por centrifugación, basada en que las partículas en suspensión o en dispersión resultan afectadas por la fuerza centrífuga, con lo que tienden a escapar de la masa del líquido (esta técnica se emplea, por ejemplo, en la industria azucarera).
  • Para separar sólidos de sólidos:
  • Separación magnética, utilizable para extraer, por ejemplo, partículas de hierro o de otro metal ferromagnético de una mezcla;
  • Separación por levigación, que se basa en someter la mezcla a un chorro de agua, que arrastra con mucha mayor facilidad las partículas menos densas (se usa, por ejemplo, para separar una mezcla de arena y oro, aprovechando que este último es mucho más denso);
  • Separación por disolución, que puede usarse, por ejemplo, para extraer la sal de una mezcla de arena y sal: se añade agua, con lo que la sal se disuelve, y después, tras filtrar la disolución, el agua se evapora, con lo que la sal precipita.
  • Para separar líquidos inmiscibles:
  • Separación por centrifugación, según el principio ya explicado (también se emplea para la separación de emulsiones);
  • Separación por decantación, que en este caso suele hacerse usando un embudo de decantación, el cual, al abrir su llave, permite la salida del líquido de mayor densidad.

Separación de disoluciones

La separación de los diversos componentes de una disolución es más difícil que la de los componentes de una mezcla, ya que en este caso los medios puramente mecánicos no son efectivos y es preciso recurrir al calentamiento de la disolución para llevar a cabo la separación a partir del vapor:

  • Disolución de un sólido en un líquido: separación por evaporación, que se realiza calentando la disolución en una vasija abierta y poco profunda, con lo que, al irse evaporando el líquido, la disolución se va concentrando y, si se prosigue hasta la total evaporación del líquido, se obtiene el soluto precipitado.
  • Disolución de un líquido en otro: separación por destilación simple, aplicable cuando los puntos de ebullición de los dos líquidos son notablemente diferentes y en la que se procede calentando la disolución hasta una temperatura algo superior al punto de ebullición del líquido más volátil y condensando por enfriamiento el vapor recogido.
  • Disolución de varios líquidos en otro líquido: separación por destilación fraccionada, que se basa en que cada líquido tiene un punto de ebullición distinto; puede realizarse en una sola operación mediante las llamadas columnas de fraccionamiento, tal como se hace en el caso del petróleo crudo.
Proceso de destilación simple.