La materia y sus propiedades
La
química actúa sobre la materia, que es todo aquello que nos rodea, ocupa un
lugar y un espacio en el universo, y que somos capaces de identificar y
conocer.
La materia presenta dos tipos de propiedades: propiedades extensivas y
propiedades intensivas.
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Las propiedades
extensivas se relacionan con la estructura química externa; es decir, aquellas
que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de
la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energía potencial, calor,
etcétera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver más con la
estructura química interna de la materia, como la temperatura, punto
de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración
(ver glosario para estos tres últimos términos), índice de refracción,
entre otros aspectos.
Las propiedades
intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura, es
decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de molécula (ver
glosario), como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por moléculas
de agua (H2O), o el azúcar, que solo la conforman moléculas de sacarosa
(C12H22O11).
Sólido, líquido y gaseoso
La materia
normalmente presenta tres estados o formas: sólida, líquida o gaseosa.
Sin embargo, existe un cuarto estado, denominado estado plasma, el cual
corresponde a un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas
(iones), con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos,
es decir, globalmente neutro.
El estado sólido
se caracteriza por su resistencia a cualquier cambio de forma, lo que se debe a
la fuerte atracción que hay entre las moléculas que lo constituyen; es decir,
las moléculas están muy cerca unas de otras.
En el estado líquido,
las moléculas pueden moverse libremente unas respecto de otras, ya que están un
poco alejadas entre ellas. Los líquidos, sin embargo, todavía presentan una
atracción molecular suficientemente firme como para resistirse a las fuerzas
que tienden a cambiar su volumen.
En cambio, en el
estado gaseoso, las moléculas están muy dispersas y se mueven
libremente, sin ofrecer ninguna oposición a las modificaciones en su forma y
muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas que no está encerrado
tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su
densidad.
La mayoría de las
sustancias son sólidas a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y
gaseosas a temperaturas altas; pero los estados no siempre están claramente
diferenciados. Puede ocurrir que se produzca una coexistencia de fases cuando
una materia está cambiando de estado; es decir, en un momento determinado se
pueden apreciar dos estados al mismo tiempo. Por ejemplo, cuando cierta
cantidad de agua llega a los 100ºC (en estado líquido) se evapora, es decir,
alcanza el estado gaseoso; pero aquellas moléculas que todavía están bajo los
1001C, se mantienen en estado líquido.
Cambios físicos y químicos de la
materia
Aunque al mirar a
nuestro alrededor podemos apreciar distintos estados de la materia (por
ejemplo, una silla es materia en estado sólido, la leche un líquido y el humo
de las fábricas es gaseoso), en la naturaleza ocurren infinitos cambios a cada
instante.
Si tomamos, por
ejemplo, un vaso con agua (estado líquido), observaremos que el agua ocupa el
espacio interno del vaso. Luego, si colocamos en un recipiente el agua
contenida en el vaso y la calentamos, veremos que en cierto momento comienzan a
observarse burbujas en la superficie, y el agua en estado líquido pasa a ser
vapor de agua (estado gaseoso). Este evento, que es común observar en nuestra
vida diaria, corresponde a un cambio de estado de la materia.
El agua, tanto en
estado líquido como en estado gaseoso, presenta la misma composición química
(H2O). Los cambios de estado de cualquier material en los que su composición
química permanece invariable se denominan cambios físicos.
Ahora, si tenemos
agua mezclada con azúcar (agua azucarada) y la calentamos hasta evaporar toda
el agua posible, en el recipiente queda el azúcar; es decir, se obtienen los
materiales iniciales: agua (ahora en forma de vapor) y azúcar. Así, cuando
mezclamos dos materiales y podemos separarlos por procedimientos físicos,
entonces el cambio ocurrido también es un cambio físico. Otros tipos de
cambios físicos pueden ser patear una pelota o romper una hoja de papel. En
todos los casos podría cambiar la forma, como cuando cortas el papel, pero
la sustancia se mantiene, es decir, el papel sigue estando ahí.
Pero existe otro tipo
de cambio que sí modifica la estructura química de uno o más materiales. Es el
que se conoce como cambio químico. Este sucede cuando el material
experimenta una transformación en su estructura química, como consecuencia de
su interacción o relación con la estructura química de otro material,
transformándose ambas estructuras. Esto da como resultado la formación de un
nuevo material con características diferentes a las iniciales; es decir,
ocurrió una reacción química.
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En el experimento de
la manzana se puede apreciar un cambio químico, ya que sus constituyentes
externos reaccionaron con el oxígeno del aire y se produjo un oscurecimiento
por la reacción de oxidación (ver glosario) o envejecimiento. Su
estructura interna cambió y ya no es posible recuperarla por medios físicos,
por ejemplo, cortar la parte oxidada, ya que solo se obtendría un tejido
vegetal nuevo.
Las frutas, como las
manzanas, pueden conservarse por refrigeración, que hace más lento el proceso
de oxidación, o cubriéndolas, para que el oxígeno no actúe sobre la fruta. En
el experimento, como habrás podido apreciar, el trozo de manzana cubierto con
el plástico no se oscureció. Tampoco la parte de la manzana impregnada con jugo
de limón se alteró. Es más, seguirá en buen estado, ya que el jugo de limón
contiene vitamina C (ácido ascórbico), la cual actúa como antioxidante;
es decir, evita que el oxígeno reaccione con la manzana y retarda el
envejecimiento. El tercer trozo, al estar sin jugo de limón y sin plástico (es
decir, al estar expuesto al oxígeno del aire) se oscureció, evidenciando una
reacción de oxidación, la misma que corresponde a un cambio de estado de tipo
químico.
En la naturaleza, la
mayoría de las alteraciones que se producen son cambios químicos, como la
combustión, la pudrición, la fermentación, la digestión de los alimentos,
etcétera.
Sin embargo, también
existen otros tipos de transformaciones químicas, como cuando se quema basura,
o uno fundamental, que es la respiración, donde hay una reacción química.
Así como la manzana,
otras frutas experimentan las mismas modificaciones, como, por ejemplo, el
plátano y la palta. Tú mismo puedes repetir el experimento usando otras frutas
o verduras, haciendo comparaciones y verificando lo que sucede. Incluso puedes
invitar a tus amigos para que cada uno elija una fruta o verdura y después
comparen y discutan los resultados de cada uno.
Así, aplicarás
también el método científico (observación, problema, hipótesis y
experimentación).
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Mezclando sustancias
Ya sabes
que todo lo que existe en el universo está compuesto por materia. Esta, a su
vez, se clasifica en mezclas y sustancias puras. Las sustancias
puras comprenden un solo compuesto, y las mezclas son combinaciones de
sustancias puras en proporciones variables o diferentes; por ejemplo, una
mezcla de arena y sal.
Los compuestos están
conformados por los elementos (como, por ejemplo, el hidrógeno y el
oxígeno, que forman el agua), los cuales existen en los compuestos en una
proporción definida, es decir, en cantidades suficientes que permiten que
dichos elementos se mantengan siempre estables y que también impiden su
separación por métodos físicos. Por ejemplo, si se hace reaccionar sodio (Na)
con cloro (Cl2) se obtendrá Na1Cl1 exclusivamente y no sustancias tales como
Na0.5Cl2.3 o mezclas raras.
Las mezclas se
clasifican en homogéneas (soluciones) y en heterogéneas. En una
mezcla homogénea no hay distinción de fases, es decir, de una porción de
la sustancia pura. Es el caso, por ejemplo, del agua con alcohol, el agua
azucarada o el agua con café, donde se observa una sola fase: la líquida. Además,
en este tipo de mezcla los componentes se unen hasta el nivel molecular, de
manera que no es posible distinguirlos. Por ejemplo: oxígeno en agua o sal en
agua. También existen las soluciones sólidas (mezcla de metales), llamadas aleaciones.
En las soluciones hay
dos sustancias involucradas: una que disuelve, solvente, y otra que se disuelve,
el soluto. Cuando mezclamos agua (solvente) con azúcar, tenemos que cada
molécula de azúcar (soluto) queda rodeada por varias moléculas de agua. Lo
mismo sucede en otras soluciones. Por esta razón, una vez que han sido
mezclados no podemos diferenciar a simple vista el soluto del solvente.
En cambio, en una
mezcla heterogénea pueden distinguirse con facilidad las diferentes fases que
forman la mezcla. Por ejemplo, el agua con arena. Aquí se forman dos fases: una
fase sólida, conformada por la arena, y otra fase líquida, constituida por el
agua. Otros ejemplos son el agua con aceite, sal y arena, entre otros.
Las mezclas pueden
separarse en sus componentes por procesos físicos, mientras que los compuestos
se separan en sus constituyentes por procesos químicos.
En cualquier caso, la mezcla de materiales es un proceso que utilizamos a
diario, tanto en la cocina (al mezclar los ingredientes de una torta) como en
las industrias altamente tecnificadas (como la farmacéutica). En la naturaleza
también encontramos mezclas, como la sangre, la orina y el aire.
La ensalada es una
mezcla heterogénea, cuyos componentes pueden ser separados por medios físicos.
Un antiguo
alambique usado para destilar alcohol.
Mezcla, combinación y descomposición
Ahora que
conocemos la clasificación de la materia, es importante diferenciar algunos
términos muy comunes usados en química y que serán útiles cuando veamos las
reacciones químicas.
Aparte de la
definición y clasificación de las mezclas, es conveniente tener presente que a
ellas se puede agregar dos, tres o más sustancias, en cantidades indefinidas. Al
final de cualquier mezcla seguiremos teniendo las sustancias que agregamos y en
las mismas cantidades, es decir, no surgirá nada nuevo. Es el caso de una
ensalada, por ejemplo, la que solo es una mezcla de verduras o frutas, o del
aire, que es una mezcla de gases, o de la sal disuelta en agua, que es una
mezcla de agua y sal, al igual que el aceite y agua, que se pueden separar
utilizando los medios adecuados.
Otro concepto que hay
que saber es el de combinación, que es un cambio químico donde, a partir
de dos o más sustancias, se puede obtener otra (u otras) con propiedades
diferentes. Para que esto suceda, debemos agregar las sustancias que queremos
combinar en cantidades perfectamente definidas. Además, para que se produzca
efectivamente la combinación, también se necesitará liberar o absorber calor
(intercambio de energía). Este calor se le puede suministrar, por ejemplo, con
un mechero. Un ejemplo es el cobre, donde cierta cantidad de él reaccionará con
el oxígeno del aire cuando se le acerque la llama de un mechero. Entonces se
combinan el cobre y el oxígeno, y se formará óxido de cobre gracias a la
energía proporcionada por el calor de la llama del mechero.
En esta reacción, el
Cu y el O2 son los reactantes y el CuO es el producto de la
reacción química.
Además de los
mencionados anteriormente, la descomposición también es otro cambio
químico, por medio de la cual se pueden obtener dos o más sustancias con
diferentes propiedades, a partir de una sustancia compuesta (formada por dos o
más átomos).
Un ejemplo es cuando
se calienta óxido de mercurio y se consigue oxígeno y mercurio; o se hace
reaccionar el dicromato de amonio para obtener nitrógeno, óxido crómico y agua.
En resumen, tanto en
la combinación como en la descomposición, y con la necesaria intervención del
calor (al liberar y absorber energía), al final del proceso tendremos sustancias
distintas a las originales.
Separando mezclas
Hasta ahora hemos
abordado diferentes tipos de mezclas y conocemos sus clases; pero también es
importante poder reconocer los elementos que la integran, porque eso facilita
su separación una vez que se han mezclado. Para este propósito, te mostraremos
y explicaremos los distintos métodos de separación que existen y que se basan
en las diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una
mezcla. Algunas de estas propiedades son: punto de ebullición, densidad, punto
de fusión, solubilidad, presión de vapor, etc.
Los métodos más
conocidos de separación son: filtración, decantación y destilación.
La filtración
consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera, la cual puede
consistir en mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido. Un ejemplo es
hacer pasar una mezcla de arena con agua por una malla; en la malla queda
atrapada la arena, mientras que en un recipiente recuperamos el agua.
Con el experimento de las uvas te debe haber quedado claro
cómo funciona la filtración. En ese ejercicio pudiste observar cómo, después de
exprimir manualmente las uvas en un recipiente de plástico y obtener el jugo,
el colador actuó como una barrera que separó el jugo de uvas al caer este hacia
el vaso, mientras que en la malla quedaron retenidas pepas y algunas fibras de
la uva. De esta forma, quedaron aparte los componentes sólidos (pepas y fibra)
de los líquidos (jugo).
Glosario
Densidad: propiedad de la materia que mide la
relación entre la masa y el volumen de un determinado cuerpo.
Por otra parte, la decantación
consiste en dividir los componentes que contienen diferentes fases, como, por
ejemplo, dos líquidos que no se mezclan (agua y
aceite). La condición básica para usar este tipo de separación es que exista
una diferencia significativa entre las densidades (ver glosario) de las
fases. Eso se puede comprobar claramente en el experimento del agua y aceite que te mostramos. Al
principio se puede ver que se forman dos fases: una superior, en donde se ubica
el aceite, y otra inferior, donde se encuentra el agua.
La explicación de por
qué el agua está abajo es que es más pesada que el aceite o, en otras palabras,
posee más densidad. Y el aceite, como es menos denso, se mantiene arriba. Así,
se ha producido la separación de los componentes por decantación. Incluso,
puedes lograr separar ambos líquidos si viertes cuidadosamente el aceite a otro
tubo de ensayo o recipiente, de forma que en el primer tubo permanezca solo el
agua de la mezcla, recuperando los componentes originales de ella.
Glosario
Punto de ebullición: temperatura a la cual
una sustancia pasa del estado líquido al gaseoso.
Otro método de
separación conocido es la destilación, la cual consiste en apartar los
componentes de una mezcla basándose en las diferencias en los puntos de
ebullición (ver glosario) de dichos componentes.
Un compuesto de punto
de ebullición bajo se considera volátil, es decir, que puede convertirse más
fácilmente en vapor, en relación con otros componentes de punto de ebullición
mayor. Esto queda claro cuando se desea separar el alcohol del agua.
¿Sabías que?
El azúcar se disuelve mejor en té caliente que en agua fría, debido a que,
por lo general, la solubilidad (la capacidad para disolverse) de un sólido
aumenta con el incremento de la temperatura, y de esta forma obtendremos una
mezcla homogénea.
Las peligrosas arenas movedizas son una mezcla que está conformada
principalmente por agua y polvo de sílice.
El alcohol es más
volátil que el agua (su punto de ebullición es cercano a los 78ºC, mientras que
el de agua es más alto, de 100ºC); por lo tanto, al destilar una mezcla de
partes iguales de estos líquidos, como el alcohol es más volátil que el agua,
al calentar la mezcla se volatilizará (evaporará) más rápido que el agua, y
podrá ser recuperado en otro recipiente. Después de que la temperatura aumente a
100 grados, se detiene el proceso y el agua queda en el recipiente inicial de
la mezcla.
Podrás apreciar una
situación similar en el experimento de destilación para separar el agua de la
sal en una solución salina, es decir, agua salada. Al encender el mechero y
calentar la olla que contiene la solución salina, el agua se va evaporando, y
al llegar a la superficie de la tapa, que está colocada inclinada hacia el
borde de la olla, se condensa. Debido a la inclinación de la tapa, las gotas de
agua comienzan a precipitarse en el molde de vidrio. De esta manera se obtiene
el agua, y en la olla se recobra la sal que inicialmente se utilizó para la
mezcla
Ordenando los elementos químicos
El Sol es la
principal fuente de energía para las reacciones químicas que ocurren en la
naturaleza.
Cuando disfrutas de
una rica torta, también estás saboreando el resultado de una compleja reacción
química.
En los incendios,
lo que se produce es una combustión, que es un tipo de reacción química.
¿Sabías
que?
Se conocen unos 4 millones de productos químicos, de los que se utilizan
normalmente unos 35.000.
Reacciones químicas
Cada minuto, millones de reacciones químicas están ocurriendo a
nuestro alrededor sin que nos demos cuenta. Algunas de ellas son producto de
procesos naturales; otras son el resultado de la acción del hombre.
Ya
vimos que el proceso de digestión de nuestro cuerpo involucra una serie de
reacciones químicas, que buscan fraccionar el alimento en pequeñas partes para
obtener la energía que requerimos para vivir. También sabemos que las plantas
realizan una importante reacción química en la fotosíntesis (ver recuadro). Otra
reacción química fundamental para la vida que se produce en el ambiente es la
que ocurre cuando la atmósfera de la Tierra remueve los dañinos rayos
ultravioleta del Sol.
En
cuanto a las reacciones químicas producidas por el hombre, muchas de ellas se
llevan a cabo en los laboratorios, donde los científicos las provocan con
diversos fines: para crear nuevas medicinas, producir nuevos materiales o
evitar la descomposición de alimentos, por ejemplo.
¿Pero
qué es una reacción química? Si bien ya hemos dado una idea de ella, una
reacción química consiste simplemente en romper o separar los componentes de
una sustancia, para ocuparlos en la formación de una nueva sustancia. A esta se
le llama producto y tiene características completamente diferentes a las
de las sustancias originales, que estaban presentes antes de que se produjera
la reacción química, y que son denominadas reactantes, porque son las
que “reaccionan” para formar algo nuevo.
Para
que una reacción química ocurra se requiere de energía. Las fuentes de esta
energía pueden ser, entre otras, la luz, calor o electricidad.
El queque
químico
Para
ejemplificar una reacción química que sueles disfrutar, basta analizar el caso
del queque. Para hacer uno se necesita, por lo general, mantequilla, leche,
harina, huevo y azúcar. Todos ellos son los reactantes, las sustancias
iniciales de la reacción química. Además, se requiere la energía en forma de
calor -para acelerar la reacción-, la que es proporcionada por el horno
encendido (sea eléctrico o a gas).
Luego
de mezclar los ingredientes y cocinarlos en el horno, lo que obtenemos es un
delicioso queque, que sería el producto. Este ya no tiene la apariencia ni el
sabor de los ingredientes con que fue preparado. Es algo completamente nuevo,
el resultado de una reacción química.
Si
bien hay algunas reacciones químicas que son reversibles, la mayoría de
ellas no lo son. Es decir, son irreversibles, lo que significa que, en
este caso, una vez cocinado el queque, no es posible volver a obtener el huevo
o la leche utilizados para prepararlo. De igual forma, una vez que has quemado
la madera, ya no puedes volver a tenerla; solo quedan cenizas.
El
fuego es el resultado de una reacción química llamada combustión. Para
que la combustión ocurra se necesita un combustible, que puede ser: madera,
petróleo, carbón o algún otro elemento similar que sirva para hacer fuego. También
se requiere oxígeno, un gas presente en el aire que respiramos y el
calor suficiente para encender el fuego. Si no hay más combustible o se ha
acabado el oxígeno o el nivel de calor está muy bajo, entonces el fuego se
apaga. Tanto el combustible como el oxígeno y el calor forman parte de los
reactantes. La energía que se produce en forma de luz y calor a raíz del fuego,
el 
vapor de agua
y otros gases, como el monóxido de carbono, forman parte de los productos de la
reacción química.
Otra
forma de apreciar una reacción química es con el experimento del vinagre. Ahí se puede
observar que, cuando cae el bicarbonato de sodio en el vinagre, se produce una
reacción química, formándose un gas que infla el globo. El vinagre y el
bicarbonato ya no están presentes como tales en la botella.
La química de la fotosíntesis
Una
de las más importantes reacciones químicas que se producen en la naturaleza es
la fotosíntesis. Por medio de este proceso, las plantas absorben la energía del
Sol utilizándola para convertir el agua y el dióxido de carbono en su alimento
y también en oxígeno, es decir, en compuestos orgánicos reducidos.
Para
esto, es necesaria la participación de la clorofila, contenida en los
cloroplastos de las células vegetales. La fotosíntesis se lleva a cabo en dos
etapas, llamadas luminosa y oscura.
Donde más intensamente se desarrolla esta reacción
química es en las hojas de las plantas verdes. Y el oxígeno que se libera es
aprovechado por nosotros para respirar. De hecho, sin plantas y sin este
proceso químico, simplemente nosotros tampoco existiríamos.
El flúor: un asesino
El flúor fue el último de los
elementos químicos no metálicos que se preparó en estado libre. Desde que fue
descubierto, en 1771, por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele, pasaron
cien años hasta que el químico francés Henri Moissan lo aisló, en 1886. Durante
este período se realizaron numerosas tentativas fallidas para obtenerlo. Entre
los que lo intentaron sin conseguirlo hay grandes nombres de la historia de la
química, como Michael Faraday, Humphry Davy (descubridor del
sodio, potasio, calcio y magnesio) y Joseph Gay-Lussac (descubridor del
boro).
Humphry Davy.
El
flúor es un gas de color verde-amarillento, altamente corrosivo y venenoso, de
olor penetrante y desagradable. Es el elemento más reactivo de toda la tabla
periódica. Se combina directamente, y en general de forma violenta, con la
mayoría de los elementos. De ahí que algunos de los científicos que trataron de
aislarlo murieran y la mayoría sufriera graves envenenamientos por el flúor y
sus compuestos.
En todo caso, este elemento es nocivo siempre y cuando se
encuentre en grandes cantidades. En pequeñas porciones, por ejemplo en la pasta
de dientes, es benéfico.