Química

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Un óleo de un químico ( Ana Kansky , pintado por Henrika Šantel en 1932)

La química es la disciplina científica involucrada con elementos y compuestos compuestos por átomos , moléculas e iones : su composición, estructura, propiedades, comportamiento y los cambios que experimentan durante una reacción con otras sustancias . ^[1]^[2]^[3]^[4]

En el ámbito de su asignatura, la química ocupa una posición intermedia entre la física y la biología . ^[5] A veces se le llama la ciencia central porque proporciona una base para comprender tanto las disciplinas científicas básicas como las aplicadas a un nivel fundamental. ^[6] Por ejemplo, la química explica aspectos de la química vegetal ( botánica ), la formación de rocas ígneas ( geología ), cómo se forma el ozono atmosférico y cómo se degradan los contaminantes ambientales ( ecología ), las propiedades del suelo en la luna ( cosmoquímica ), cómo funcionan los medicamentos (farmacología ) y cómo recopilar pruebas de ADN en la escena del crimen ( análisis forense ).

La química aborda temas como cómo los átomos y las moléculas interactúan a través de enlaces químicos para formar nuevos compuestos químicos . Hay dos tipos de enlaces químicos: 1. enlaces químicos primarios, por ejemplo , enlaces covalentes , en los que los átomos comparten uno o más electrones; enlaces iónicos , en los que un átomo dona uno o más electrones a otro átomo para producir iones ( cationes y aniones ); enlaces metálicos y enlaces químicos secundarios, por ejemplo, enlaces de hidrógeno ; Enlaces de fuerza de Van der Waals , interacción ion-ion, interacción ion-dipolo, etc.

Etimología

La palabra química proviene de una modificación de la palabra alquimia , que se refería a un conjunto anterior de prácticas que abarcaban elementos de química, metalurgia , filosofía , astrología , astronomía , misticismo y medicina . A menudo se considera que la alquimia está vinculada a la búsqueda de convertir el plomo u otros metales básicos en oro, aunque los alquimistas también estaban interesados en muchas de las cuestiones de la química moderna. ^[7]

La palabra moderna alquimia a su vez se deriva de la palabra árabe al-kīmīā (الكیمیاء). Esto puede tener orígenes egipcios, ya que al-kīmīā se deriva del griego χημία, que a su vez se deriva de la palabra Kemet , que es el nombre antiguo de Egipto en el idioma egipcio. ^[8] Alternativamente, al-kīmīā puede derivar de χημεία, que significa "juntar". ^[9]

Principios modernos

Laboratorio , Instituto de Bioquímica, Universidad de Colonia en Alemania .

El modelo actual de estructura atómica es el modelo mecánico cuántico . ^[10] La química tradicional comienza con el estudio de partículas elementales , átomos , moléculas , ^[11] sustancias , metales , cristales y otros agregados de materia . La materia puede ser estudiado en sólido, líquido, gas y plasma estados , de forma aislada o en combinación. Las interacciones , reaccionesy las transformaciones que se estudian en química suelen ser el resultado de interacciones entre átomos, lo que lleva a reordenamientos de los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos. Estos comportamientos se estudian en un laboratorio de química .

El laboratorio de química utiliza estereotípicamente varias formas de material de vidrio de laboratorio . Sin embargo, la cristalería no es fundamental para la química, y gran parte de la química experimental (así como aplicada / industrial) se realiza sin ella.

Soluciones de sustancias en botellas de reactivo, incluidos hidróxido de amonio y ácido nítrico , iluminadas en diferentes colores.

Una reacción química es la transformación de algunas sustancias en una o más sustancias diferentes. ^[12] La base de tal transformación química es el reordenamiento de los electrones en los enlaces químicos entre los átomos. Se puede representar simbólicamente a través de una ecuación química , que generalmente involucra átomos como sujetos. El número de átomos a la izquierda y a la derecha en la ecuación para una transformación química es igual. (Cuando el número de átomos en cada lado es desigual, la transformación se denomina reacción nuclear o desintegración radiactiva ). El tipo de reacciones químicas que puede sufrir una sustancia y los cambios de energía que pueden acompañarla están restringidos por ciertas reglas básicas. conocido comoleyes químicas .

Las consideraciones de energía y entropía son invariablemente importantes en casi todos los estudios químicos. Las sustancias químicas se clasifican en función de su estructura , fase y composición química . Pueden analizarse utilizando herramientas de análisis químico , por ejemplo, espectroscopia y cromatografía . Los científicos que se dedican a la investigación química se conocen como químicos . ^[13] La mayoría de los químicos se especializan en una o más subdisciplinas. Varios conceptos son esenciales para el estudio de la química; algunos de ellos son: ^[14]

Importar

En química, la materia se define como todo aquello que tiene masa y volumen en reposo (ocupa espacio) y está formado por partículas . Las partículas que forman la materia también tienen masa en reposo; no todas las partículas tienen masa en reposo, como el fotón . La materia puede ser una sustancia química pura o una mezcla de sustancias. ^[15]

Átomo

Un diagrama de un átomo basado en el modelo de Bohr.

El átomo es la unidad básica de la química. Consiste en un núcleo denso llamado núcleo atómico rodeado por un espacio ocupado por una nube de electrones . El núcleo está formado por protones cargados positivamente y neutrones sin carga (denominados en conjunto nucleones ), mientras que la nube de electrones está formada por electrones cargados negativamente que orbitan el núcleo. En un átomo neutro, los electrones cargados negativamente equilibran la carga positiva de los protones. El núcleo es denso; la masa de un nucleón es aproximadamente 1.836 veces la de un electrón, sin embargo, el radio de un átomo es aproximadamente 10.000 veces el de su núcleo. ^[16]^[17]

El átomo es también la entidad más pequeña que puede concebirse para retener las propiedades químicas del elemento, como la electronegatividad , el potencial de ionización , los estados de oxidación preferidos , el número de coordinación y los tipos preferidos de enlaces para formar (p. Ej., Metálicos , iónicos , covalente ).

Elemento

Forma estándar de la tabla periódica de elementos químicos. Los colores representan diferentes categorías de elementos.

Un elemento químico es una sustancia pura que se compone de un solo tipo de átomo, caracterizado por su número particular de protones en los núcleos de sus átomos, conocidos como el número atómico y representadas por el símbolo Z . El número de masa es la suma del número de protones y neutrones en un núcleo. Aunque todos los núcleos de todos los átomos que pertenecen a un elemento tendrán el mismo número atómico, es posible que no tengan necesariamente el mismo número de masa; los átomos de un elemento que tienen diferentes números de masa se conocen como isótopos . Por ejemplo, todos los átomos con 6 protones en sus núcleos son átomos del elemento químico carbono , pero los átomos de carbono pueden tener números de masa de 12 o 13.^[17]

La presentación estándar de los elementos químicos está en la tabla periódica , que ordena los elementos por número atómico. La tabla periódica está organizada en grupos o columnas y períodos o filas. La tabla periódica es útil para identificar tendencias periódicas . ^[18]

Compuesto

Dióxido de carbono (CO ₂ ), un ejemplo de compuesto químico

Un compuesto es una sustancia química pura compuesta por más de un elemento. Las propiedades de un compuesto tienen poca similitud con las de sus elementos. ^[19] La nomenclatura estándar de los compuestos la establece la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los compuestos orgánicos se nombran de acuerdo con el sistema de nomenclatura orgánica . ^[20] Los nombres de los compuestos inorgánicos se crean de acuerdo con el sistema de nomenclatura inorgánica . Cuando un compuesto tiene más de un componente, se dividen en dos clases, los componentes electropositivos y electronegativos. ^[21] Además, elEl Servicio de Resúmenes Químicos ha ideado un método para indexar sustancias químicas. En este esquema, cada sustancia química es identificable por un número conocido como su número de registro CAS .

Molécula

Una representación de bola y palo de la molécula de cafeína (C ₈ H ₁₀ N ₄ O ₂ ).

Una molécula es la porción indivisible más pequeña de una sustancia química pura que tiene su conjunto único de propiedades químicas, es decir, su potencial para sufrir un cierto conjunto de reacciones químicas con otras sustancias. Sin embargo, esta definición solo funciona bien para sustancias que están compuestas por moléculas, lo que no es cierto para muchas sustancias (ver más abajo). Las moléculas son típicamente un conjunto de átomos unidos por enlaces covalentes , de modo que la estructura es eléctricamente neutra y todos los electrones de valencia están emparejados con otros electrones, ya sea en enlaces o en pares solitarios .

Por tanto, las moléculas existen como unidades eléctricamente neutras, a diferencia de los iones. Cuando se rompe esta regla, dando una carga a la "molécula", el resultado a veces se denomina ión molecular o ión poliatómico. Sin embargo, la naturaleza discreta y separada del concepto molecular generalmente requiere que los iones moleculares estén presentes solo en forma bien separada, como un haz dirigido al vacío en un espectrómetro de masas . Las colecciones poliatómicas cargadas que residen en sólidos (por ejemplo, iones de sulfato o nitrato comunes) generalmente no se consideran "moléculas" en química. Algunas moléculas contienen uno o más electrones desapareados, creando radicales . La mayoría de los radicales son comparativamente reactivos, pero algunos, como el óxido nítrico (NO) pueden ser estables.

Una fórmula estructural 2-D de una molécula de benceno (C ₆ H ₆ )

Los elementos "inertes" o de gas noble ( helio , neón , argón , criptón , xenón y radón ) están compuestos de átomos solitarios como su unidad discreta más pequeña, pero los otros elementos químicos aislados consisten en moléculas o redes de átomos unidos entre sí. de alguna manera. Las moléculas identificables componen sustancias familiares como el agua, el aire y muchos compuestos orgánicos como el alcohol, el azúcar, la gasolina y los diversos productos farmacéuticos .

Sin embargo, no todas las sustancias o compuestos químicos constan de moléculas discretas y, de hecho, la mayoría de las sustancias sólidas que forman la corteza, el manto y el núcleo sólidos de la Tierra son compuestos químicos sin moléculas. Estos otros tipos de sustancias, como los compuestos iónicos y los sólidos de la red , están organizados de tal manera que carecen de la existencia de moléculas identificables per se . En cambio, estas sustancias se analizan en términos de unidades de fórmula o celdas unitarias como la estructura repetitiva más pequeña dentro de la sustancia. Ejemplos de tales sustancias son las sales minerales (como la sal de mesa ), los sólidos como el carbono y el diamante, los metales y la sílice yminerales de silicato como el cuarzo y el granito.

Una de las principales características de una molécula es su geometría, a menudo llamada estructura . Si bien la estructura de las moléculas diatómicas, triatómicas o tetraatómicas puede ser trivial (lineal, piramidal angular, etc.), la estructura de las moléculas poliatómicas, que están constituidas por más de seis átomos (de varios elementos) puede ser crucial por su naturaleza química. .

Sustancia y mezcla




Ejemplos de sustancias químicas puras. De izquierda a derecha: los elementos estaño (Sn) y azufre (S), diamante (un alótropo del carbono ), sacarosa (azúcar puro) y cloruro de sodio (sal) y bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio), que son ambos compuestos iónicos. .

Una sustancia química es un tipo de materia con una composición definida y un conjunto de propiedades . ^[22] Una colección de sustancias se llama mezcla. Ejemplos de mezclas son aire y aleaciones . ^[23]

Mole y cantidad de sustancia

El mol es una unidad de medida que denota una cantidad de sustancia (también llamada cantidad química). Se define que un lunar contiene exactamente6.022 140 76 × 10 ²³ partículas ( átomos , moléculas , iones o electrones ), donde el número de partículas por mol se conoce como constante de Avogadro . ^{[24] La} concentración molar es la cantidad de una sustancia particular por volumen de solución , y comúnmente se expresa en mol / dm ³ . ^[25]

Fase

Diagrama que muestra las relaciones entre las fases y los términos utilizados para describir los cambios de fase.

Además de las propiedades químicas específicas que distinguen diferentes clasificaciones químicas, las sustancias químicas pueden existir en varias fases. En su mayor parte, las clasificaciones químicas son independientes de estas clasificaciones de fase global; sin embargo, algunas fases más exóticas son incompatibles con determinadas propiedades químicas. Una fase es un conjunto de estados de un sistema químico que tienen propiedades estructurales generales similares, en un rango de condiciones, como presión o temperatura .

Las propiedades físicas, como la densidad y el índice de refracción, tienden a caer dentro de los valores característicos de la fase. La fase de la materia se define por la transición de fase , que es cuando la energía introducida o extraída del sistema se destina a reorganizar la estructura del sistema, en lugar de cambiar las condiciones generales.

A veces, la distinción entre fases puede ser continua en lugar de tener un límite discreto. En este caso, se considera que la materia está en un estado supercrítico . Cuando tres estados se encuentran en función de las condiciones, se conoce como punto triple y, dado que es invariante, es una forma conveniente de definir un conjunto de condiciones.

Los ejemplos más familiares de fases son sólidos , líquidos y gases . Muchas sustancias presentan múltiples fases sólidas. Por ejemplo, hay tres fases de hierro sólido (alfa, gamma y delta) que varían según la temperatura y la presión. Una de las principales diferencias entre las fases sólidas es la estructura o disposición cristalina de los átomos. Otra fase que se encuentra comúnmente en el estudio de la química es la fase acuosa , que es el estado de las sustancias disueltas en una solución acuosa (es decir, en agua).

Las fases menos familiares incluyen plasmas , condensados de Bose-Einstein y condensados fermiónicos y las fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales magnéticos . Si bien las fases más familiares tratan con sistemas tridimensionales, también es posible definir análogos en sistemas bidimensionales, lo que ha recibido atención por su relevancia para los sistemas en biología .

Vinculación

Una animación del proceso de enlace iónico entre el sodio (Na) y el cloro (Cl) para formar cloruro de sodio o sal común de mesa. El enlace iónico implica que un átomo tome electrones de valencia de otro (en lugar de compartir, lo que ocurre en el enlace covalente)

Se dice que los átomos que se unen en moléculas o cristales están unidos entre sí. Un enlace químico puede visualizarse como el equilibrio multipolar entre las cargas positivas en los núcleos y las cargas negativas que oscilan alrededor de ellos. ^[26] Más que simple atracción y repulsión, las energías y distribuciones caracterizan la disponibilidad de un electrón para unirse a otro átomo.

Un enlace químico puede ser un enlace covalente , un enlace iónico , un enlace de hidrógeno o simplemente debido a la fuerza de Van der Waals . Cada uno de estos tipos de vínculos se atribuye a algún potencial. Estos potenciales crean las interacciones que mantienen unidos a los átomos en moléculas o cristales . En muchos compuestos simples, la teoría del enlace de valencia , el modelo de repulsión del par de electrones de la capa de valencia ( VSEPR ) y el concepto de número de oxidación se pueden utilizar para explicar la estructura y composición molecular.

Un enlace iónico se forma cuando un metal pierde uno o más de sus electrones, convirtiéndose en un catión con carga positiva, y luego los electrones son ganados por el átomo no metálico, convirtiéndose en un anión con carga negativa. Los dos iones con carga opuesta se atraen entre sí, y el enlace iónico es la fuerza electrostática de atracción entre ellos. Por ejemplo, el sodio (Na), un metal, pierde un electrón para convertirse en un catión de Na ⁺ , mientras que el cloro (Cl), un no metal, gana este electrón para convertirse en Cl ^- . Los iones se mantienen unidos debido a la atracción electrostática y se forma ese compuesto de cloruro de sodio (NaCl), o sal común de mesa.

En la molécula de metano (CH ₄ ), el átomo de carbono comparte un par de electrones de valencia con cada uno de los cuatro átomos de hidrógeno. Por lo tanto, la regla del octeto se cumple para el átomo C (tiene ocho electrones en su capa de valencia) y la regla del dúo se cumple para los átomos de H (tienen dos electrones en su capa de valencia).

En un enlace covalente, uno o más pares de electrones de valencia son compartidos por dos átomos: el grupo resultante eléctricamente neutro de átomos enlazados se denomina molécula . Los átomos compartirán electrones de valencia de tal manera que creen una configuración de electrones de gas noble (ocho electrones en su capa más externa) para cada átomo. Se dice que los átomos que tienden a combinarse de tal manera que cada uno tiene ocho electrones en su capa de valencia siguen la regla del octeto . Sin embargo, algunos elementos como el hidrógeno y el litio necesitan solo dos electrones en su capa más externa para lograr esta configuración estable; Se dice que estos átomos siguen la regla del dúo., y de esta manera están alcanzando la configuración electrónica del gas noble helio , que tiene dos electrones en su capa exterior.

Del mismo modo, las teorías de la física clásica se pueden utilizar para predecir muchas estructuras iónicas. Con compuestos más complicados, como los complejos metálicos , la teoría del enlace de valencia es menos aplicable y generalmente se utilizan enfoques alternativos, como la teoría de los orbitales moleculares . Ver diagrama de orbitales electrónicos.

Energía

En el contexto de la química, la energía es un atributo de una sustancia como consecuencia de su estructura atómica , molecular o agregada . Dado que una transformación química va acompañada de un cambio en uno o más de estos tipos de estructuras, invariablemente va acompañada de un aumento o disminución de la energía de las sustancias implicadas. Se transfiere algo de energía entre el entorno y los reactivos de la reacción en forma de calor o luz ; por tanto, los productos de una reacción pueden tener más o menos energía que los reactivos.

Se dice que una reacción es exergónica si el estado final es más bajo en la escala de energía que el estado inicial; en el caso de reacciones endergónicas, la situación es al revés. Se dice que una reacción es exotérmica si la reacción libera calor al entorno; en el caso de reacciones endotérmicas , la reacción absorbe calor del entorno.

Las reacciones químicas no son invariablemente posibles a menos que los reactivos superen una barrera de energía conocida como energía de activación . La velocidad de una reacción química (a una temperatura dada T) está relacionada con la energía de activación E, por el factor de población de Boltzmann, que es la probabilidad de que una molécula tenga energía mayor o igual a E a la temperatura dada T. Esta exponencial La dependencia de la velocidad de reacción con respecto a la temperatura se conoce como ecuación de Arrhenius . La energía de activación necesaria para que se produzca una reacción química puede ser en forma de calor, luz, electricidad o fuerza mecánica en forma de ultrasonidos . ^[27] ${\ Displaystyle e ^ {- E / kT}}$

Un concepto relacionado de energía libre , que también incorpora consideraciones de entropía, es un medio muy útil para predecir la viabilidad de una reacción y determinar el estado de equilibrio de una reacción química, en termodinámica química . Una reacción es factible solo si el cambio total en la energía libre de Gibbs es negativo ; si es igual a cero, se dice que la reacción química está en equilibrio . ${\ Displaystyle \ Delta G \ leq 0 \,}$

Solo existen estados de energía posibles limitados para electrones, átomos y moléculas. Estos están determinados por las reglas de la mecánica cuántica , que requieren la cuantificación de la energía de un sistema ligado. Se dice que los átomos / moléculas en un estado de mayor energía están excitados. Las moléculas / átomos de sustancia en un estado de energía excitado son a menudo mucho más reactivos; es decir, más susceptible a reacciones químicas.

La fase de una sustancia está determinada invariablemente por su energía y la energía de su entorno. Cuando las fuerzas intermoleculares de una sustancia son tales que la energía del entorno no es suficiente para vencerlas, ocurre en una fase más ordenada como líquida o sólida como es el caso del agua (H ₂ O); un líquido a temperatura ambiente porque sus moléculas están unidas por enlaces de hidrógeno . ^[28] Considerando que el sulfuro de hidrógeno (H ₂ S) es un gas a temperatura ambiente y presión estándar, ya que sus moléculas están unidas por interacciones dipolo-dipolo más débiles .

La transferencia de energía de una sustancia química a otra depende del tamaño de los cuantos de energía emitidos por una sustancia. Sin embargo, la energía térmica a menudo se transfiere más fácilmente de casi cualquier sustancia a otra porque los fonones responsables de los niveles de energía vibratoria y rotacional en una sustancia tienen mucha menos energía que los fotones.invocado para la transferencia de energía electrónica. Por lo tanto, debido a que los niveles de energía vibracional y rotacional están más cerca que los niveles de energía electrónica, el calor se transfiere más fácilmente entre sustancias en relación con la luz u otras formas de energía electrónica. Por ejemplo, la radiación electromagnética ultravioleta no se transfiere con tanta eficacia de una sustancia a otra como la energía térmica o eléctrica.

La existencia de niveles de energía característicos para diferentes sustancias químicas es útil para su identificación mediante el análisis de líneas espectrales . Diferentes tipos de espectros se utilizan a menudo en química espectroscopía , por ejemplo, IR , microondas , RMN , ESR , etc. Spectroscopy también se utiliza para identificar la composición de objetos a distancia - como estrellas y galaxias distantes - mediante el análisis de sus espectros de radiación.

Espectro de emisión de hierro

El término energía química se utiliza a menudo para indicar el potencial de una sustancia química de sufrir una transformación a través de una reacción química o de transformar otras sustancias químicas.

Reacción

Durante las reacciones químicas, los enlaces entre átomos se rompen y se forman, dando como resultado diferentes sustancias con diferentes propiedades. En un alto horno, el óxido de hierro, un compuesto , reacciona con el monóxido de carbono para formar hierro, uno de los elementos químicos , y dióxido de carbono.

Cuando una sustancia química se transforma como resultado de su interacción con otra sustancia o con la energía, se dice que ha ocurrido una reacción química. Una reacción química , por tanto, es un concepto relacionado con la "reacción" de una sustancia cuando entra en contacto cercano con otra, ya sea como una mezcla o una solución ; exposición a alguna forma de energía, o ambas. Da lugar a cierto intercambio de energía entre los componentes de la reacción, así como con el entorno del sistema, que pueden ser recipientes diseñados, a menudo material de vidrio de laboratorio .

Las reacciones químicas pueden resultar en la formación o disociación de moléculas, es decir, moléculas que se rompen para formar dos o más moléculas o reordenamiento de átomos dentro o entre moléculas. Las reacciones químicas generalmente implican la formación o ruptura de enlaces químicos. La oxidación, la reducción , la disociación , la neutralización ácido-base y el reordenamiento molecular son algunos de los tipos de reacciones químicas comúnmente utilizadas.

Una reacción química se puede representar simbólicamente mediante una ecuación química . Mientras que en una reacción química no nuclear el número y el tipo de átomos en ambos lados de la ecuación son iguales, para una reacción nuclear esto es válido solo para las partículas nucleares, a saber. protones y neutrones. ^[29]

La secuencia de pasos en los que puede tener lugar la reorganización de enlaces químicos en el curso de una reacción química se denomina mecanismo . Se puede prever que una reacción química tenga lugar en una serie de pasos, cada uno de los cuales puede tener una velocidad diferente. Por tanto, pueden contemplarse muchos productos intermedios de reacción con estabilidad variable durante el curso de una reacción. Se proponen mecanismos de reacción para explicar la cinética y la mezcla de productos relativa de una reacción. Muchos físicos químicos se especializan en explorar y proponer los mecanismos de diversas reacciones químicas. Varias reglas empíricas, como las de Woodward-Hoffmann, a menudo son útiles al proponer un mecanismo para una reacción química.

Según el libro de oro de la IUPAC , una reacción química es "un proceso que da como resultado la interconversión de especies químicas". ^{[30] En} consecuencia, una reacción química puede ser una reacción elemental o una reacción escalonada . Se hace una advertencia adicional, ya que esta definición incluye casos en los que la interconversión de los conformadores es observable experimentalmente. Tales reacciones químicas detectables normalmente involucran conjuntos de entidades moleculares como se indica en esta definición, pero a menudo es conceptualmente conveniente usar el término también para cambios que involucran entidades moleculares individuales (es decir, 'eventos químicos microscópicos').

Iones y sales

La estructura de red cristalina del cloruro de potasio (KCl), una sal que se forma debido a la atracción de cationes K ⁺ y aniones Cl ^- . Observe cómo la carga total del compuesto iónico es cero.

Un ion es una especie cargada, un átomo o una molécula, que ha perdido o ganado uno o más electrones. Cuando un átomo pierde un electrón y, por lo tanto, tiene más protones que electrones, el átomo es un ion o catión con carga positiva . Cuando un átomo gana un electrón y por lo tanto tiene más electrones que protones, el átomo es un ion o anión con carga negativa . Los cationes y aniones pueden formar una red cristalina de sales neutras , como los iones Na ⁺ y Cl ^- que forman cloruro de sodio o NaCl. Ejemplos de iones poliatómicos que no se dividen durante las reacciones ácido-base son el hidróxido (OH ^-) y fosfato (PO ₄^{3 -} ).

El plasma está compuesto de materia gaseosa que ha sido completamente ionizada, generalmente a alta temperatura.

Acidez y basicidad

El bromuro de hidrógeno existe en fase gaseosa como molécula diatómica

A menudo, una sustancia se puede clasificar como un ácido o una base . Hay varias teorías diferentes que explican el comportamiento ácido-base. La más simple es la teoría de Arrhenius , que establece que el ácido es una sustancia que produce iones hidronio cuando se disuelve en agua, y una base es aquella que produce iones hidróxido cuando se disuelve en agua. Según la teoría ácido-base de Brønsted-Lowry , los ácidos son sustancias que donan un ión de hidrógeno positivo a otra sustancia en una reacción química; por extensión, una base es la sustancia que recibe ese ion hidrógeno.

Una tercera teoría común es la teoría ácido-base de Lewis , que se basa en la formación de nuevos enlaces químicos. La teoría de Lewis explica que un ácido es una sustancia que es capaz de aceptar un par de electrones de otra sustancia durante el proceso de formación del enlace, mientras que una base es una sustancia que puede proporcionar un par de electrones para formar un nuevo enlace. Según esta teoría, las cosas cruciales que se intercambian son los cargos. ^[31] Hay varias otras formas en que una sustancia puede clasificarse como un ácido o una base, como es evidente en la historia de este concepto. ^[32]

La fuerza ácida se mide comúnmente por dos métodos. Una medida, basada en la definición de acidez de Arrhenius, es el pH , que es una medida de la concentración de iones hidronio en una solución, expresada en una escala logarítmica negativa . Por tanto, las soluciones que tienen un pH bajo tienen una alta concentración de iones hidronio y se puede decir que son más ácidas. La otra medida, basada en la definición de Brønsted-Lowry, es la constante de disociación ácida (K _a ), que mide la capacidad relativa de una sustancia para actuar como ácido según la definición de Brønsted-Lowry de un ácido. Es decir, sustancias con una K superior _a son más propensos a donar iones de hidrógeno en las reacciones químicas que aquellos con menor K _una valores.

Redox

Redox ( rojo uction- buey idation) reacciones incluyen todas las reacciones químicas en las que los átomos tienen su estado de oxidación cambió por cualquiera de electrones ganando (reducción) o electrones que pierden (oxidación). Las sustancias que tienen la capacidad de oxidar otras sustancias se denominan oxidantes y se conocen como agentes oxidantes, oxidantes u oxidantes. Un oxidante elimina electrones de otra sustancia. De manera similar, las sustancias que tienen la capacidad de reducir otras sustancias se denominan reductoras y se conocen como agentes reductores, reductores o reductores.

Un reductor transfiere electrones a otra sustancia y, por lo tanto, se oxida a sí mismo. Y debido a que "dona" electrones, también se le llama donante de electrones. La oxidación y la reducción se refieren propiamente a un cambio en el número de oxidación; es posible que la transferencia real de electrones nunca ocurra. Por tanto, la oxidación se define mejor como un aumento del número de oxidación y la reducción como una disminución del número de oxidación.

Equilibrio

Aunque el concepto de equilibrio se usa ampliamente en todas las ciencias, en el contexto de la química, surge siempre que son posibles varios estados diferentes de la composición química, como por ejemplo, en una mezcla de varios compuestos químicos que pueden reaccionar entre sí. o cuando una sustancia puede estar presente en más de un tipo de fase.

Un sistema de sustancias químicas en equilibrio, aunque tenga una composición invariable, a menudo no es estático ; las moléculas de las sustancias continúan reaccionando entre sí dando lugar a un equilibrio dinámico . Por lo tanto, el concepto describe el estado en el que los parámetros como la composición química permanecen sin cambios con el tiempo.

Leyes químicas

Las reacciones químicas se rigen por ciertas leyes, que se han convertido en conceptos fundamentales de la química. Algunos de ellos son:

Ley de Avogadro
Ley de Beer-Lambert
Ley de Boyle (1662, relación presión y volumen)
Ley de Charles (1787, relacionando volumen y temperatura)
Leyes de difusión de Fick
Ley de Gay-Lussac (1809, relacionando presión y temperatura)
El principio de Le Chatelier
Ley de Henry
Ley de Hess
La ley de conservación de la energía conduce a los conceptos importantes de equilibrio , termodinámica y cinética .
La ley de conservación de la masa se sigue conservando en sistemas aislados , incluso en la física moderna. Sin embargo, la relatividad especial muestra que debido a la equivalencia masa-energía , siempre que se extrae "energía" no material (calor, luz, energía cinética) de un sistema no aislado, se perderá algo de masa con él. Las pérdidas de energía elevadas dan como resultado la pérdida de cantidades pesadas de masa, un tema importante en la química nuclear .
Ley de composición definida , aunque en muchos sistemas (en particular biomacromoléculas y minerales) las proporciones tienden a requerir grandes números y, con frecuencia, se representan como una fracción.
Ley de proporciones múltiples
Ley de Raoult

Historia

La historia de la química abarca un período que va desde tiempos muy antiguos hasta el presente. Desde varios milenios antes de Cristo, las civilizaciones estaban utilizando tecnologías que eventualmente formarían la base de las diversas ramas de la química. Los ejemplos incluyen la extracción de metales de minerales , la fabricación de cerámica y vidriados, la fermentación de cerveza y vino, la extracción de productos químicos de plantas para medicinas y perfumes, la conversión de grasa en jabón , la fabricación de vidrio y la fabricación de aleaciones como el bronce . La química fue precedida por su protociencia, la alquimia., que es un enfoque intuitivo pero no científico para comprender los componentes de la materia y sus interacciones. No tuvo éxito en explicar la naturaleza de la materia y sus transformaciones, pero al realizar experimentos y registrar los resultados, los alquimistas prepararon el escenario para la química moderna. La química como un cuerpo de conocimiento distinto de la alquimia comenzó a emerger cuando Robert Boyle hizo una clara diferenciación entre ellos en su obra The Skeptical Chymist (1661). Si bien tanto la alquimia como la química tienen que ver con la materia y sus transformaciones, la diferencia crucial fue dada por el método científico que los químicosempleados en su trabajo. Se considera que la química se ha convertido en una ciencia establecida con el trabajo de Antoine Lavoisier , quien desarrolló una ley de conservación de la masa que exigía una medición cuidadosa y observaciones cuantitativas de los fenómenos químicos. La historia de la química está entrelazada con la historia de la termodinámica , especialmente a través del trabajo de Willard Gibbs . ^[33]

De definición

La definición de química ha cambiado con el tiempo, a medida que nuevos descubrimientos y teorías se suman a la funcionalidad de la ciencia. El término "quimica", en opinión del célebre científico Robert Boyle en 1661, significaba el tema de los principios materiales de los cuerpos mixtos. ^[34] En 1663, el químico Christopher Glaser describió la "quimica" como un arte científico, mediante el cual se aprende a disolver cuerpos y extraer de ellos las diferentes sustancias en su composición, y cómo unirlos nuevamente y exaltarlos a un mayor perfección. ^[35]

La definición de 1730 de la palabra "química", tal como la utilizó Georg Ernst Stahl , significaba el arte de resolver cuerpos mixtos, compuestos o agregados en sus principios; y de componer tales cuerpos a partir de esos principios. ^[36] En 1837, Jean-Baptiste Dumas consideró la palabra "química" para referirse a la ciencia relacionada con las leyes y efectos de las fuerzas moleculares. ^[37] Esta definición evolucionó aún más hasta que, en 1947, pasó a significar la ciencia de las sustancias: su estructura, sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias, una caracterización aceptada por Linus Pauling . ^[38] Más recientemente, en 1998, el profesor Raymond Changamplió la definición de "química" para referirse al estudio de la materia y los cambios que sufre. ^[39]

De disciplina

La filosofía atomista de Demócrito fue adoptada más tarde por Epicuro (341-270 a. C.).

Las primeras civilizaciones, como la egipcia ^[40] babilónica y la india ^[41] acumularon conocimientos prácticos sobre las artes de la metalurgia, la cerámica y los tintes, pero no desarrollaron una teoría sistemática.

Una hipótesis química básica surgió por primera vez en la Grecia clásica con la teoría de los cuatro elementos, tal como la propuso definitivamente Aristóteles, afirmando que el fuego , el aire , la tierra y el agua eran los elementos fundamentales a partir de los cuales todo se forma como una combinación. El atomismo griego se remonta al 440 a. C., surgiendo en obras de filósofos como Demócrito y Epicuro . En el 50 a. C., el filósofo romano Lucrecio amplió la teoría en su libro De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas). ^[42]^[43] A diferencia de los conceptos modernos de ciencia, el atomismo griego era de naturaleza puramente filosófica, con poca preocupación por las observaciones empíricas y ninguna preocupación por los experimentos químicos.^[44]

Una forma temprana de la idea de conservación de la masa es la noción de que " Nada viene de la nada " en la filosofía griega antigua , que se puede encontrar en Empédocles (aproximadamente el siglo IV a. C.): "Porque es imposible que algo llegue a ser de lo que no es, y no se puede lograr ni oír hablar de que lo que es debe ser completamente destruido ". ^[45] y Epicuro (siglo III a. C.), quien, al describir la naturaleza del Universo, escribió que "la totalidad de las cosas fue siempre tal como es ahora y siempre será". ^[46]

Impresión artística del siglo XV de Jābir ibn Hayyān (Geber), un alquimista persoárabe y pionero de la química orgánica .

En el mundo helenístico, el arte de la alquimia primero proliferó, mezclando magia y ocultismo en el estudio de sustancias naturales con el objetivo final de transmutar elementos en oro y descubrir el elixir de la vida eterna. ^{[47] El} trabajo, en particular el desarrollo de la destilación , continuó a principios del período bizantino , siendo el practicante más famoso el Zósimos de Panopolis greco-egipcio del siglo IV . ^{[48] La} alquimia continuó desarrollándose y practicándose en todo el mundo árabe después de las conquistas musulmanas , ^[49] y desde allí, y desde los restos bizantinos,^[50] difundido en laEuropamedieval y renacentista a través de traducciones latinas.

El desarrollo del método científico moderno fue lento y arduo, pero un método científico temprano para la química comenzó a surgir entre los primeros químicos musulmanes, comenzando con el químico persoárabe del siglo IX Jābir ibn Hayyān , conocido popularmente como "el padre de la química". Las obras árabes que se le atribuyen introdujeron una clasificación sistemática de sustancias químicas y proporcionaron instrucciones para derivar un compuesto inorgánico ( sal amoniacal o cloruro de amonio ) a partir de sustancias orgánicas (como plantas, sangre y cabello) por medios químicos. ^[51] Algunas obras árabes jabirianas (por ejemplo, el "Libro de la misericordia" y el "Libro de los setenta") se tradujeron más tarde al latín bajo laEl nombre latinizado "Geber", ^[52] y en la Europa del siglo XIII un escritor anónimo, generalmente conocido como pseudo-Geber , comenzó a producir escritos alquímicos y metalúrgicos con este nombre. ^[53] Posteriormente influyentes filósofos musulmanes, como Abū al-Rayhān al-Bīrūnī ^[54] y Avicenna ^[55] disputaron las teorías de la alquimia, particularmente la teoría de la transmutación de metales .

Bajo la influencia de los nuevos métodos empíricos propuestos por Sir Francis Bacon y otros, un grupo de químicos de Oxford , Robert Boyle , Robert Hooke y John Mayow comenzaron a remodelar las viejas tradiciones alquímicas en una disciplina científica. Boyle en particular es considerado como el padre fundador de la química debido a su obra más importante, el texto clásico de química The Skeptical Chymist, donde se hace la diferenciación entre las afirmaciones de la alquimia y los descubrimientos científicos empíricos de la nueva química. ^[56] Formuló la ley de Boyle, rechazó los clásicos "cuatro elementos" y propuso una alternativa mecanicista de átomos y reacciones químicas que podrían someterse a experimentos rigurosos. ^[57]

Antoine-Laurent de Lavoisier es considerado el "padre de la química moderna". ^[58]

La teoría del flogisto (una sustancia en la raíz de toda combustión) fue propuesta por el alemán Georg Ernst Stahl a principios del siglo XVIII y solo fue anulada a fines del siglo por el químico francés Antoine Lavoisier , el análogo químico de Newton en física; quien hizo más que ningún otro para establecer la nueva ciencia sobre una base teórica adecuada, dilucidando el principio de conservación de la masa y desarrollando un nuevo sistema de nomenclatura química utilizado hasta el día de hoy. ^[59]

Sin embargo, antes de su trabajo, se habían hecho muchos descubrimientos importantes, específicamente relacionados con la naturaleza del "aire", que se descubrió que estaba compuesto de muchos gases diferentes. El químico escocés Joseph Black (el primer químico experimental) y el holandés JB van Helmont descubrieron el dióxido de carbono , o lo que Black llamó "aire fijo" en 1754; Henry Cavendish descubrió el hidrógeno y esclareció sus propiedades y Joseph Priestley e, independientemente, Carl Wilhelm Scheele aislaron oxígeno puro .

El científico inglés John Dalton propuso la teoría moderna de los átomos ; que todas las sustancias están compuestas por "átomos" indivisibles de materia y que los diferentes átomos tienen diferentes pesos atómicos.

El desarrollo de la teoría electroquímica de las combinaciones químicas se produjo a principios del siglo XIX como resultado del trabajo de dos científicos en particular, Jöns Jacob Berzelius y Humphry Davy , hecho posible gracias a la invención previa de la pila voltaica por Alessandro Volta . Davy descubrió nueve elementos nuevos, incluidos los metales alcalinos, extrayéndolos de sus óxidos con corriente eléctrica. ^[60]

En su tabla periódica, Dmitri Mendeleev predijo la existencia de 7 nuevos elementos, ^[61] y colocó los 60 elementos conocidos en ese momento en sus lugares correctos. ^[62]

El británico William Prout propuso por primera vez ordenar todos los elementos por su peso atómico, ya que todos los átomos tenían un peso que era un múltiplo exacto del peso atómico del hidrógeno. JAR Newlands ideó una tabla de elementos temprana, que luego fue desarrollada en la tabla periódica de elementos moderna ^[63] en la década de 1860 por Dmitri Mendeleev e independientemente por varios otros científicos, incluido Julius Lothar Meyer . ^[64]^[65] Los gases inertes, más tarde llamados gases nobles, fueron descubiertos por William Ramsay en colaboración con Lord Rayleigh. a finales de siglo, completando así la estructura básica de la mesa.

Arriba: Resultados esperados: partículas alfa que atraviesan el modelo de pudín de ciruela del átomo sin perturbaciones.
Abajo: Resultados observados: una pequeña parte de las partículas se desvió, lo que indica una pequeña carga concentrada .

A principios del siglo XX, los fundamentos teóricos de la química finalmente se entendieron debido a una serie de descubrimientos notables que lograron sondear y descubrir la naturaleza misma de la estructura interna de los átomos. En 1897, JJ Thomson de la Universidad de Cambridge descubrió el electrón y poco después el científico francés Becquerel y la pareja Pierre y Marie Curie investigaron el fenómeno de la radiactividad . En una serie de experimentos pioneros de dispersión, Ernest Rutherford de la Universidad de Manchesterdescubrió la estructura interna del átomo y la existencia del protón, clasificó y explicó los diferentes tipos de radiactividad y transmutó con éxito el primer elemento bombardeando nitrógeno con partículas alfa .

Su trabajo sobre la estructura atómica fue mejorado por sus estudiantes, el físico danés Niels Bohr y Henry Moseley . La teoría electrónica de enlaces químicos y orbitales moleculares fue desarrollada por los científicos estadounidenses Linus Pauling y Gilbert N. Lewis .

El año 2011 fue declarado por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Química. ^[66] Fue una iniciativa de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada y de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura e involucra a sociedades químicas, académicos e instituciones de todo el mundo y se basó en iniciativas individuales para organizar actividades locales y regionales. .

La química orgánica fue desarrollada por Justus von Liebig y otros, siguiendo la síntesis de urea de Friedrich Wöhler que demostró que los organismos vivos eran, en teoría, reducibles a la química. ^[67] Otros avances cruciales del siglo XIX fueron; una comprensión del enlace de valencia ( Edward Frankland en 1852) y la aplicación de la termodinámica a la química ( JW Gibbs y Svante Arrhenius en la década de 1870).

Práctica

Subdisciplinas

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La química se divide típicamente en varias subdisciplinas principales. También hay varios campos principales interdisciplinarios y más especializados de la química. ^[68]

La química analítica es el análisis de muestras de materiales para comprender su composición y estructura química . La química analítica incorpora métodos experimentales estandarizados en química. Estos métodos pueden utilizarse en todas las subdisciplinas de la química, excluyendo la química puramente teórica.
La bioquímica es el estudio de los productos químicos , las reacciones químicas y las interacciones químicas que tienen lugar en los organismos vivos . La bioquímica y la química orgánica están estrechamente relacionadas, como en la química médica o la neuroquímica . La bioquímica también está asociada con la biología molecular y la genética .
La química inorgánica es el estudio de las propiedades y reacciones de los compuestos inorgánicos. La distinción entre disciplinas orgánicas e inorgánicas no es absoluta y hay mucha superposición, sobre todo en la subdisciplina de la química organometálica .
La química de materiales es la preparación, caracterización y comprensión de sustancias con una función útil. El campo es una nueva amplitud de estudio en los programas de posgrado e integra elementos de todas las áreas clásicas de la química con un enfoque en cuestiones fundamentales que son exclusivas de los materiales. Los sistemas primarios de estudio incluyen la química de las fases condensadas (sólidos, líquidos, polímeros ) y las interfaces entre las diferentes fases.
La neuroquímica es el estudio de neuroquímicos ; incluyendo transmisores, péptidos, proteínas, lípidos, azúcares y ácidos nucleicos; sus interacciones y el papel que desempeñan en la formación, el mantenimiento y la modificación del sistema nervioso.
La química nuclear es el estudio de cómo las partículas subatómicas se unen y forman núcleos. La transmutación moderna es un componente importante de la química nuclear, y la tabla de nucleidos es un resultado y una herramienta importantes para este campo.
La química orgánica es el estudio de la estructura, propiedades, composición, mecanismos y reacciones de los compuestos orgánicos . Un compuesto orgánico se define como cualquier compuesto basado en un esqueleto de carbono.
La química física es el estudio de la base física y fundamental de los sistemas y procesos químicos. En particular, la energía y la dinámica de tales sistemas y procesos son de interés para los físicos químicos. Las áreas importantes de estudio incluyen termodinámica química , cinética química , electroquímica , mecánica estadística , espectroscopia y, más recientemente, astroquímica . ^[69] La química física tiene una gran superposición con la física molecular . La química física implica el uso de cálculo infinitesimal para derivar ecuaciones. Suele estar asociado con la química cuántica.y química teórica. La química física es una disciplina distinta de la física química , pero nuevamente, hay una superposición muy fuerte.
La química teórica es el estudio de la química a través del razonamiento teórico fundamental (generalmente dentro de las matemáticas o la física ). En particular, la aplicación de la mecánica cuántica a la química se denomina química cuántica . Desde el final de la Segunda Guerra Mundial , el desarrollo de las computadoras ha permitido un desarrollo sistemático de la química computacional , que es el arte de desarrollar y aplicar programas de computadora para resolver problemas químicos. La química teórica tiene una gran superposición con la física de la materia condensada (teórica y experimental) y la física molecular .

Otras disciplinas dentro de la química se agrupan tradicionalmente por el tipo de materia que se estudia o el tipo de estudio. Estos incluyen la química inorgánica , el estudio de la materia inorgánica ; química orgánica , el estudio de la materia orgánica (basada en carbono); bioquímica , el estudio de sustancias que se encuentran en organismos biológicos ; la química física , el estudio de los procesos químicos utilizando conceptos físicos como la termodinámica y la mecánica cuántica ; y la química analítica , el análisis de muestras de material para obtener una comprensión de sucomposición química y estructura . En los últimos años han surgido muchas disciplinas más especializadas, por ejemplo, la neuroquímica, el estudio químico del sistema nervioso (ver subdisciplinas ).

Otros campos incluyen agroquímica , astroquímica (y cosmoquímica ), química atmosférica , ingeniería química , biología química , quimioinformática , electroquímica , química ambiental , femtoquímica , química del sabor , química de flujo , geoquímica , química verde , histoquímica , historia de la química , química de hidrogenación. , inmunoquímica ,química marina , ciencia de los materiales , química matemática , mecanoquímica , química medicinal , biología molecular , mecánica molecular , nanotecnología , química de productos naturales , enología , química organometálica , petroquímica , farmacología , fotoquímica , química física orgánica , fitoquímica , química de polímeros , radioquímica , sólido- química estatal, Sonoquímica , la química supramolecular , la química de superficie , la química de síntesis , termoquímica , y muchos otros.

Industria

La industria química representa una importante actividad económica a nivel mundial. Los 50 principales fabricantes de productos químicos a nivel mundial en 2013 tuvieron ventas por US $ 980,5 mil millones, con un margen de beneficio del 10,3%. ^[70]

Sociedades profesionales

sociedad Química Americana
Sociedad Americana de Neuroquímica
Instituto químico de Canadá
Sociedad Química del Perú
Unión internacional de Química Pura Aplicada
Real Instituto de Química Australiana
Sociedad Química Real de los Países Bajos
Real Sociedad de Química
Sociedad de la Industria Química
Asociación Mundial de Químicos Teóricos y Computacionales
Lista de sociedades de química

Ver también

Comparación de software para modelado de mecánica molecular
Glosario de términos químicos
Año Internacional de la Química
Lista de químicos
Lista de compuestos
Lista de publicaciones importantes en química
Lista de problemas no resueltos en química
Esquema de la química
Sistemas periódicos de moléculas pequeñas.
Filosofía de la química
Turismo científico

Referencias

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