Materia y química: propiedades, estados, estructuras y métodos de separación

Materia y cuerpo

Química: ciencia que estudia la composición, propiedades y transformaciones de la materia.

Materia: material físico del universo que tiene masa y ocupa un espacio.

Cuerpos: materia que tiene extensión, forma y volumen. Son diferentes e incontables, pero tienen en común masa; son impenetrables, poseen volumen y ocupan un espacio.

Sustancias: los distintos tipos de materia que forman un cuerpo.

Propiedades de la materia

Propiedades extensivas e intensivas

• Propiedades extensivas: dependen de la cantidad de materia (por ejemplo, masa, volumen).
• Propiedades intensivas: no dependen de la cantidad de materia y son uniformes en toda la masa (por ejemplo, densidad, punto de fusión).

Sistemas materiales

Una porción de materia que se aísla del resto del espacio para poder estudiarla y controlarla. Se clasifican en:

• Abiertos: hay transferencia de materia y energía entre el sistema y el medio.
• Cerrados: no intercambian materia, pero sí pueden intercambiar energía.
• Aislados: no intercambian ni materia ni energía con el medio.

Según propiedades intensivas

• Homogéneos: tienen iguales propiedades intensivas en todo el sistema (poseen una sola fase). Pueden ser:
  • Sustancias puras: un elemento es una sustancia pura que no se descompone; un compuesto se forma por la unión de dos o más elementos.
  • Soluciones: sistemas que se pueden fraccionar en sus componentes (mezclas homogéneas).
• Heterogéneos: tienen diferentes propiedades intensivas (tienen más de una fase). En un sistema heterogéneo de dos fases se identifica la fase dispersa (menor proporción) y la fase dispersante (mayor proporción).
  • Una fase es un sistema homogéneo dentro de uno heterogéneo; se separan por superficies definidas llamadas interfaces.
  • Según el tamaño de las dispersiones se clasifican:
    • Dispersiones groseras: las partículas se ven a simple vista.
    • Dispersiones finas: visibles con microscopio óptico.
    • Dispersiones coloidales: visibles con ultramicroscopio.
• Inhomogéneo: sistema cuyas propiedades intensivas varían de forma gradual pero poseen una sola fase (por ejemplo, gradientes de concentración).

Estados de la materia

Los estados líquido y gas se consideran fluidos. Según la estructura interna:

• Sólido: fuerzas de atracción mayores que las de repulsión; estructura definida.
• Líquido: las magnitudes de las fuerzas son similares; volumen definido pero forma variable.
• Gas: la fuerza de atracción es despreciable; ni forma ni volumen definidos.

Cambios de estado

Los cambios de estado se producen modificando la presión y la temperatura:

• Sublimación (sólido → gas): calor absorbido.
• Deposición o sublimación inversa (gas → sólido): calor desprendido.
• Evaporación (líquido superficial → gas): calor absorbido; suele ocurrir en la superficie.
• Ebullición (líquido → gas en toda la masa): calor absorbido; ocurre a una temperatura y presión definidas.
• Condensación (gas → líquido): calor desprendido.
• Fusión (sólido → líquido): calor absorbido.
• Congelación (líquido → sólido): calor desprendido.

Métodos de separación de fases

Métodos físicos para sistemas heterogéneos

• Tamización (tamizado): para sistemas heterogéneos sólidos con partículas de diferentes tamaños.
• Filtración: separa fases de un sistema heterogéneo de sólido y líquido mediante medio poroso.
• Decantación: separa líquidos de diferentes densidades (por ejemplo, usando una ampolla de decantación).
• Levigación: separa fases sólidas de distinta densidad mediante corrientes de agua.
• Flotación: utilizada en minería para concentrar minerales; separa sólidos en función de sus propiedades superficiales.

Métodos de fraccionamiento

• Destilación: separa componentes de una mezcla basándose en la volatilidad; el componente más volátil se evapora y luego se condensa.
• Cristalización simple: separa un sólido disuelto en un líquido por enfriamiento de soluciones concentradas.
• Cristalización fraccionada: proceso similar al anterior, pero aplicado a mezclas con varios solutos que tienen diferentes solubilidades.
• Extracción: separa solutos disueltos usando un disolvente en el que uno de los componentes es más soluble.

Transformaciones

• Transformaciones físicas: varía la apariencia o estado pero no la composición química.
• Transformaciones químicas: una o más sustancias se transforman en sustancias químicamente diferentes.

Tipos de reacciones químicas

• Reacción de combinación (síntesis): dos o más sustancias se combinan para producir un solo compuesto.
• Reacción de descomposición: un compuesto se descompone en sus componentes.
• Reacción de combustión: sustancias que contienen carbono e hidrógeno reaccionan con oxígeno; en combustión completa se forman CO2 y H2O; en combustión incompleta pueden formarse CO, carbono (hollín) y H2O.
• Reacción de simple sustitución: un elemento reemplaza a otro en un compuesto.
• Reacciones de doble sustitución: dos compuestos intercambian iones o grupos entre sí.
• Reacciones redox: reacciones en las que el número de oxidación de un elemento aumenta (oxidación) y el de otro disminuye (reducción).

Leyes gravimétricas de la química

• Ley de las proporciones definidas (Proust): los elementos se combinan en proporciones de masa fijas para formar un compuesto determinado.
• Ley de las proporciones múltiples (Dalton): cuando dos elementos forman más de un compuesto entre sí, las masas de uno que se combinan con una masa fija del otro se relacionan en proporciones de números enteros pequeños.

Teoría atómica de Dalton

Principales postulados:

• Cada elemento está compuesto por partículas pequeñas llamadas átomos.
• Todos los átomos de un elemento son iguales en sus propiedades y masa (posteriores investigaciones matizaron este punto).
• Los átomos no se transforman en otros diferentes por reacciones químicas (solo se reorganizan).
• Se forman compuestos cuando átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones definidas.

Por investigaciones posteriores se estableció que no todos los átomos de un elemento tienen la misma masa (existen isótopos), que los átomos contienen partículas subatómicas y que, en ciertas condiciones, el átomo puede dividirse.

Atomicidad, átomo y molécula

• Moléculas: partículas neutras formadas por un conjunto estable de dos o más átomos enlazados covalentemente.
• Átomo: eléctricamente neutro cuando tiene igual número de protones y electrones.
• Núcleo: parte central del átomo que contiene protones (carga positiva) y neutrones (sin carga).
• Periferia: región donde se encuentran los electrones (carga negativa).
• Número másico (A): suma de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo. A = Z + N, donde Z es el número atómico y N el número de neutrones.
• Isótopos: átomos con igual número atómico pero diferente número másico.

Carga elemental

Carga del electrón: e = 1,602 × 10^-19 C (coulombios).

Peso atómico y unidad de masa atómica

Al expresarse en gramos, se toma otro patrón: la unidad de masa atómica (u) se define como la doceava parte de la masa del isótopo carbono-12. 1 u = (masa del 12C) / 12.

Moléculas y gases nobles

Los gases nobles son monoatómicos (átomos aislados). La materia se compone de moléculas o iones que se forman a partir de átomos.

Elementos diatómicos

Los elementos que forman moléculas diatómicas en condiciones normales son: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2 (regla mnémica: HOFBrINCl, aunque hay varias maneras de recordarlos).

Peso molecular

El peso molecular o masa molecular en uma se obtiene sumando las masas de todos los átomos que forman la molécula.

Número de Avogadro

El mol es la cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 g de carbono-12. El número de Avogadro es aproximadamente 6,022 × 10²³.

Metaloides

Metaloides: región de separación entre metales y no metales; presentan propiedades intermedias y se comportan de ambas formas según las condiciones.

Productos de rayos catódicos y experimentos históricos

Rayos catódicos

Se estudiaba la descarga eléctrica a través de tubos con vacío: un alto voltaje produce radiaciones dentro del tubo. Los rayos van del cátodo (—) al ánodo (+), por eso se llaman rayos catódicos. En experimentos con placas cargadas y campos magnéticos se observó que los rayos se desviaban según la dirección y sentido del campo, lo que evidenció la naturaleza cargada de estas radiaciones.

Determinación de la carga del electrón (Millikan)

Millikan realizó el experimento de la gota de aceite: gotas de aceite entre placas metálicas se cargaban por ionización del aire mediante rayos X; al equilibrar la gravedad y la fuerza eléctrica pudo determinar la carga del electrón, e ≈ 1,602 × 10^-19 C.

Radiactividad

• Rayos alfa (α): partículas cargadas positivamente (núcleos de helio). Se alejan de placas cargadas positivamente.
• Rayos beta (β): electrones o positrones; los electrones se alejan de la placa negativa.
• Rayos gamma (γ): radiación electromagnética de alta energía, sin carga, por lo que no se desvía por campos eléctricos externos.

Experiencia de Rutherford

Haciendo impactar partículas alfa en una lámina de oro, observaron que la mayoría atravesaba la lámina sin desviarse, pero algunas se desviaban con grandes ángulos y, en casos raros, regresaban. Esto indicó que la mayor parte del átomo es espacio vacío y que existe un núcleo central pequeño, denso y cargado positivamente.

Espectroscopía y conceptos asociados

La radiación viaja en ondas. La distancia entre crestas se denomina longitud de onda (λ). El número de crestas que pasa por un punto en un segundo se llama frecuencia (ν). La velocidad de la onda se obtiene multiplicando la longitud de onda por la frecuencia: v = λ · ν.

• Monocromáticos: radiaciones que emiten una sola longitud de onda.
• Cuanto: Planck llamó cuanto a la mínima cantidad de energía que se emite o se absorbe en forma de radiación electromagnética. E = h · ν.

Efecto fotoeléctrico

La energía radiante puede comportarse como una corriente de paquetes discretos de energía, cada uno con comportamiento de partícula: el fotón. Cada fotón tiene una energía proporcional a la frecuencia de la luz: E = h · ν. El efecto fotoeléctrico fue clave para demostrar la naturaleza corpuscular de la luz.

Modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno

En el modelo de Bohr, el electrón puede girar alrededor del núcleo solo en órbitas con radios específicos y energías cuantizadas. La energía del electrón está restringida a valores discretos; los saltos entre niveles explican las líneas espectrales del hidrógeno.

Principio de incertidumbre y orbitales

El desarrollo de la mecánica cuántica permitió describir la densidad electrónica, es decir, la probabilidad de encontrar un electrón en una región del espacio. Un orbital se define como una zona del espacio donde es probable encontrar un electrón (región de alta densidad electrónica).

Modelo atómico actual y números cuánticos

• Número cuántico principal (n): valores enteros n = 1, 2, 3, 4, ...; determina el nivel de energía y el tamaño del orbital.
• Número cuántico del momento angular (l): define la forma del orbital; l = 0, 1, 2, 3 ... (identificados como s, p, d, f, ...). Para un nivel n, l toma valores hasta n − 1.
• Número cuántico magnético (m): orientación del orbital en el espacio; m toma valores enteros desde −l hasta +l.
• Número cuántico de spin (m_s): describe el comportamiento magnético del electrón; puede tener valores +1/2 o −1/2.

Orden de llenado (regla de Aufbau)

Secuencia aproximada de llenado de orbitales: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.

Capacidad por subnivel: s hasta 2 electrones, p hasta 6, d hasta 10 y f hasta 14.

Tabla periódica y configuración electrónica

• Elementos representativos: corresponden a los grupos 1, 2 y 13 a 18 (bloque s y p).
• Elementos de transición: grupos 3 a 12 (bloque d).
• Elementos de transición interna: las dos filas inferiores, el bloque f (lantánidos y actínidos).
• Grupo 18: gases nobles (inertes en condiciones normales).

Notas finales y repaso de conceptos clave

• Masa, volumen y densidad son propiedades fundamentales para describir la materia.
• Transformaciones físicas vs. químicas: las primeras no cambian la composición, las segundas sí.
• Métodos de separación: tamizado, filtración, decantación, levigación, flotación, destilación, cristalización y extracción, entre otros.
• Modelos atómicos: del modelo de Dalton, a los experimentos sobre rayos catódicos y Millikan, pasando por Rutherford y Bohr, hasta el modelo cuántico moderno con orbitales y números cuánticos.