GENERALIDADES DE LA QUÍMICA

Concepto de la Química

La Química es la ciencia que estudia la composición y estructura, las propiedades y los cambios (transformaciones) que sufre la materia.

Ramas de la Química

Subárea	Materia	Ejemplo
Química Orgánica	Se encarga del estudio de las sustancias que contienen carbono (C).	Preparación de la aspirina (C9H8O4) o Tylenol (C8N9NO2).
Química Inorgánica	Se encarga del estudio de las sustancias que no contienen carbono (C).	La compresión del funcionamiento en la batería de un coche.
Química Analítica	Se encarga del estudio de la composición de una muestra (cualitativa) y cuánto contiene (cuantitativa).	La medición de la cantidad de un gas pesticida específico en las aguas freáticas.
Fisicoquímica o Química Física	Se encarga del estudio de las estructuras de las sustancias, la rapidez con que cambian (cinética) y el papel del calor en los cambios.	La compresión de los cambios que se presentan cuando se funde el hielo para obtener agua líquida.
Bioquímica	Se encarga del estudio las reacciones químicas en los seres vivos.	La compresión del mecanismo de fragmentación de algunos alimentos por la saliva cuando los masticamos.

 

Evolución Histórica de la Química

Históricamente la Química se divide en etapas. Estas son el Período Prehistórico, la Edad Antigua, la Alquimia, la Yatroquímica, Renacentista, Flogisto, Moderno y Atómico.

Antiguamente en Egipto los sacerdotes utilizaban plantas para la cura de enfermedades y para conservar en buen estado el cuerpo humano después de la muerte.

Tanto los egipcios como los chinos estaban muy familiarizados con los procesos de fermentación en la producción de bebidas alcohólicas.

Se considera que algunos fundamentos de la química moderna emergieron de los antiguos griegos y árabes. Demócrito (ciudadano de griego) propuso una teoría acerca de las sustancias que después en 2200 años llegaría a convertirse en la teoría atómica de John Dalton. El matemático árabe Al-Khowarizmi inventó el número cero aproximadamente en el 825 d.C., proporcionando así una expresión matemática fundamental para la ciencia moderna.

Otro conjunto de conocimientos egipcios recibió el nombre de kemeia, el cual adquirió un aspecto mágico, oscuro y secreto.

Cuando Egipto es tomado por la cultura griega, la Kemeia empieza a ser una actividad de carácter más investigativo que mágico. Ahora el principal objetivo es buscar la manera de transformar los metales comunes y de bajo costo como por ejemplo el hierro (Fe) y el plomo (Pb) en oro.

En la época medieval, los alquimistas europeos llevaron a cabo infinidad de experimentos en un infructuoso intento por transformar el plomo (Pb) y otros metales comunes en oro (Au).

Durante siglos el hombre intentó en vano llevar a cabo esta actividad, la cual casi llega a su fin. Esto se debió a que el emperador romano Diocleciano, temiendo que los trasmutadores de metales lograran fabricar el oro a bajo precio y de paso estropear la economía del imperio, ordenara la total destrucción de cualquier escrito sobre el tema. Cabe destacar que en el siglo XX, los científicos han podido transformar el platino en oro, pero eso sí , a un costo elevadísimo.

No fue sino hasta el siglo VII de nuestra era que los árabes rescataron tal conocimiento que había estado sepultado por año dentro del olvido. Esto sucedió gracias a las inmensas conquistas que los árabes realizaron, teniendo así también la oportunidad de ponerse en contacto con conocimientos de otros pueblos.

De esta manera, la kemeia de los greco-egipcios se convirtió en alquimia, en donde la palabra “al” fue un aporte de la lengua árabe.

Tanto Robert Boyle y Antoine Laurent Lavoisier son considerados los dos hombres más destacados en la fundación de la química como ciencia. Boyle fue un apasionado defensor de la experimentación en la búsqueda del conocimiento. Su estudio sobre el efecto de la presión en el volumen de un gas es un notorio ejemplo del método científico. Principalmente, a Lavoisier, suele considerársele el padre de la ciencia química. Antoine Lavoisier logró demostrar que la combustión es el resultado de la reacción de un combustible con el oxígeno (O) que forma parte del aire. También utilizó el método científico para demostrar lo errada que era la teoría popular de la combustión y logró ampliar, de una manera significativa, la forma de ver a las sustancias.

Durante la Primera Guerra Mundial los europeos occidentales lograron ejercer un gran poder sobre el conocimiento de la química. Pero a mediados de 1920 los químicos estadounidenses han estado marcando el paso en la ciencia de la química, además después de la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos se ha convertido en el líder mundial en todos los aspectos de la química.

A continuación se presentará un esquema histórico del desarrollo de la química desde sus inicios hasta la actualidad.

 

DESARROLLO HISTÓRICO DE LA QUÍMICA
Período Prehistórico ? 5000 a. C.	Este periodo se destaca por la importantísima aparición del fuego (la combustión de la madera es considerada la primera reacción química). El hombre primitivo fundió minerales para fabricar utensilios y armas; mezcló grasa y tintes vegetales con los cuales pintó cuevas como la de Altamira y Lascaux.
Edad Antigua	Edad de oro 5000 a. C.	Descubrimiento del oro (Au), la plata (Ag) y el cobre (Cu).
Edad de Bronce 4000 a. C.	Descubrimiento del bronce (aleación del cobre *Cu* y el estaño *Sn*).
Edad de Hierro 1200 a.C.	Fabricación del acero (Aleación del hierro *Fe*y el carbono *C*). Se inicia la metalurgia.
Egipcios 1000- 400 a. C	Se da la fabricación de vidrios y esmaltes, la preparación del jabón, la confección de perfumes, bálsamos, betún y sales de sodio, potasio, cobre y aluminio; se da la imitación de metales y piedras preciosas.
Griegos 600- 300 a. C.	Empedócles postula la teoría de los cuatro elementos; tierra, agua, aire y fuego. Demócrito y Leucipo postulan la teoría atómica; Platón y Aristóteles descartan dicho postulado y promueven la teoría de la continuidad de la materia.
Alquimia VIII- XIII	Árabes Geber, Avicena, Averroes, Razés. Europeos San Alberto Magno, Sto. Tomás de Aquino, Roger Bacon, Ramón Lull, Nicolás Flamel, Bernard Trevisan.	El máximo ideal era convertir los metales innobles en nobles. Por ejemplo, el plomo (Pb) en oro (Au). Se creía que esto era posible si se hallaba la “piedra filosofal”. También tendría que encontrarse el “solvente universal” el cual era una sustancia que transformaría todos los materiales sólidos en líquidos. Otro objetivo era el de conseguir la eterna juventud y la cura de todas las enfermedades por medio del llamado “elixir de la vida”. Aunque no lo lograron aportaron numerosos progresos en la química de laboratorio y en las técnicas de separación y destilación; obtuvieron el alcohol y ácidos minerales como el nítrico y el sulfúrico.
Yatroquímica Inicio XVI	Paracelso, Agrícola, Van-Helmont y Lemery	Se conoce como el periodo de transición entre la Alquimia y la Química verdadera. Llamada Química Médica, pues se preparaban medicamentos para curar y combatir enfermedades. Su fundador fue Paracelso. Otro aporte significativo fue el de Jan Baptista Van Helmont, pionero en la experimentación y en una forma primitiva de bioquímica, llamada Yatroquímica. Fue también el primero en aplicar principios químicos en sus investigaciones sobre la digestión y la nutrición para el estudio de problemas fisiológicos. Por esto se le conoce como el "padre de la bioquímica"; señaló que los procesos biológicos son procesos químicos y descubrió el jugo gástrico.
Renacentista XVI-XVII	Leonardo De Vinci, Francis Bacon, Galileo Galilei, René Descartes, Robert Boyle.	Se abandonan las especulaciones filosóficas de la edad media y se utiliza el método científico como método de investigación. Boyle establece el concepto moderno de elemento además de definir los conceptos de “elemento, compuesto y materia” y adopta la teoría atómica para explicar las transformaciones químicas. En su libro “El Químico Escéptico” descarta la teoría de los cuatro elementos de Empedócles. Formula la ley empleada en gases llamada Ley de Boyle y utiliza por primera vez el término “Análisis Químico”. En este período surgen las primeras academias de ciencias.
Flogisto Inicio XVIII	George Stahl, Lomonossoff, Scheele, Joseph Priestly, Antoine Reaumur, Henry Cavendish.	George Stahl y Joham Becher establecieron la Teoría del Flogisto: “toda sustancia combustible contiene un principio inflamable llamado flogisto, el cual se desprende en la combustión dejando un residuo que es la ceniza; Metal + calor → ceniza + flogisto”. Esta teoría, aunque fue errada, sirvió de estímulo para otras investigaciones y tuvo vigencia por 75 años.
Moderno Fines XVIII	Antoine L. Lavoisier	Inicia con los trabajos de A. Lavoisier considerado como el Padre de la Química Moderna. Dio diferentes aportes tales como refutar la Teoría del Flogisto al explicar que la combustión como la combinación de la madera con el oxígeno del aire. Lavoisier enuncia la Ley de la Conservación de la Materia la cual establece que: “En una reacción química, la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma.” Crea las bases de la Química Moderna al establecer la noción precisa de sustancia pura. En sus investigaciones usa un sistema de balanza y el principio de la conservación de la materia, además de participar en la creación de una nueva nomenclatura. También introduce el método científico en la Química y es considerado el fundador de la fisiología por sus estudios acerca de la respiración. Se descubre el elemento Uranio (U; por M. H. Klaproth), el Titanio (Ti; por W. Gregor) y el Manganeso (Mn; por J. G. Gahn).
Atómico Inicio XIX-Hoy	John Dalton, Meyer Mendeleiev, Max Planck, Henry Becquerel, Pierre y Marie Curie, Otto Hahn, Fritz Strassmann, Enrico Fermi, Julius Robert Oppenheimer.	John Dalton (1808) formula la Teoría Atómica y establece la Ley de Dalton para la mezcla de los gases (Ley de las Presiones Parciales de los gases). Mendeleiev y Meyer clasificaron los elementos químicos en una Tabla Periódica de acuerdo al creciente de sus números atómicos y a las propiedades químicas análogas, surgiendo así las primeras teorías acerca de esta periodicidad; emergen las primeras teorías acerca de la constitución de los átomos, modificadas por las ideas de la mecánica cuántica de Max Planck (Teoría de los Cuantos). Eugenio Goldstein descubre los protones; Joseph John Thompson descubre los electrones y James Chadwick, el neutrón. Wilhelm Roentgen descubre los rayos x; Ernest Rutherfort descubre el núcleo atómico; Pierre y Marie Curie purifican, aíslan y descubren el Radio (Ra) y el Polonio (Po); Frederick Soddy descubre los isótopos; Otto Hahn y Fritz Strassman descubren la fisión nuclear en el Uranio (U) y el Torio (Th); Fermi y Oppenheimer realizan la primera reacción en cadena, base para la fabricación de la bomba atómica.

Química Moderna y Contemporánea

A continuación, en el cuadro siguiente, se presentará una pequeña síntesis del desarrollo de la química en los aspectos de descubrimientos y aportes importantes.

Nombre	Fecha	País de Origen	Contribución
Charles Goodyear	1800-1860	Estados Unidos	Descubrió el proceso para la vulcanización del caucho utilizando azufre (S).
Marie Curie	1867-1934	Polonia	Descubrió el Radio (Ra).
Gilbert Lewis	1875-1946	Estados Unidos	Contribuyó al conocimiento de los enlaces químicos.
Otto Hahn	1879-1968	Alemania	Descubrió la fisión nuclear, el proceso que se utiliza en las reacciones nucleares.
Niels Bohr	1885-1962	Dinamarca	Desarrolló un modelo de la estructura del átomo.
Sir Robert Robinson	1886-1975	Reino Unido	Preparó diversos agentes medicinales útiles.
Albert von Szent-Gyorgi	1893-1986	Hungría	Estudió la química de las contracciones musculares.
Wallace Carothers	1896-1937	Estados Unidos	Descubrió el nylon.
Percy Julian	1899-1975	Estados Unidos	Desarrolló el proceso para la producción masiva de cortisona.
Linus Pauling	1901-1994	Estados Unidos	Contribuyo al conocimiento de los enlaces químicos y a la paz mundial.
Dorothy Crowfoot Hodgkin	1910-1994	Reino Unido	Determinó la estructura de la vitamina B12, de la penicilina y de la insulina.
Melvin Calvin	n. 1911	Estados Unidos	Explicó el proceso de la fotosíntesis.
Gleen Seaborg	n. 1912	Estados Unidos	Estudió la química nuclear.
Rosalind Franklin	1920-1958	Reino Unido	Estudió la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN) que regula el código genético.
Francis Crick	n. 1916	Reino Unido	Propuso la estructura del ADN.
Robert Woodward	1917-1979	Estados Unidos	Desarrolló la síntesis de diferentes compuestos orgánicos como lo son la quinina, el ácido lisérgico, la estricnina, la reserpina, la clorofila, la vitamina B12.
Federick Sanger	n. 1918	Reino Unido	Identificó la estructura química de la insulina e investigó el ADN.
James Watson	n. 1928	Estados Unidos	Propuso la estructura del ADN.
Mario Molina Enríquez, Paul J.Crutzen y F. Sherwood Rowland	n. 1943 n. 1933 n. 1927	México Estados Unidos Estados Unidos	Realizaron investigaciones en la química de la atmósfera, particularmente, lo relacionado con la formación y descomposición del ozono.

EL MÉTODO CIENTÍFICO

Aplicación en la resolución de problemas en la Química

La Química es una ciencia experimental, lo cual significa que sus principios y leyes:

· Provienen de la experimentación.

· Se demuestran en la práctica.

· Tienen aplicación en orden práctico.

Por ejemplo:

“Todo cuerpo sumergido en un fluido sufre una disminución aparente de su peso”, este es el conocido Principio de Arquímedes, el cual establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático, será empujado con una fuerza igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho objeto. Este principio puede demostrarse experimentalmente de una forma bastante simple: solamente basta introducir una piedra en un vaso de agua (preferiblemente transparente) para verificar el anterior enunciado.

Este principio también es aplicable a los barcos, submarinos, aviones y globos.

El método científico

Por lo general, la investigación científica se lleva a efecto bajo un ciertos pasos ordenados, los cuales se han desarrollado a través de muchos años y se ha observado que producen resultados precisos. Los pasos en el método científico pueden pensarse en el modo lógico y ordenado de resolver un problema o dar la respuesta a una pregunta. No hay un solo método científico.

Se podría decir en síntesis que el método científico es un proceso de investigación que se puede dividir en las siguientes etapas:

· Observación

· Planteamiento del problema

· Formulación de hipótesis y predicciones

· Experimentación y recopilación de datos

· Interpretación de los resultados y conclusiones.

Cada una de las etapas mencionadas anteriormente incluye los llamados procesos de la ciencia, que son un conjunto de habilidades indispensables para todas las personas dedicadas a ella: observar, medir, predecir, experimentar, comunicar y formular principio y leyes, entre otros.

El método científico proporciona los medios necesarios para probar si una afirmación es o no válida.

Por ejemplo, si alguien afirma que haber descubierto un nuevo elemento químico, la afirmación por sí sola no es suficiente: es necesario comprobarla y demostrarla. Para esto tendría que diseñar experimento donde se demuestre las propiedades del elemento descubierto.

El método científico debe utilizar todas las pruebas que tengan relación con el fenómeno que se investiga.

Un buen científico no sólo se vale de su punto de vista, sino también del de los demás. No trata de probar que él tiene la razón o cuan intelectual es, busca ante todo la verdad.

El método científico supone un análisis adecuado de los resultados obtenidos y de las técnicas empleadas.

Las técnicas de medición hacen necesario un estudio: ¿Cuál es su precisión?, ¿Son buenos los instrumentos? Los análisis requieren un rigor lógico porque de lo contrario la investigación se invalida y las conclusiones ya no serán confiables.

El método científico requiere honradez intelectual.

La persona que practica cualquier tipo de ciencia debe ser capaz de aceptar sus errores y fracasos. Sus conclusiones deben ser planteadas como aproximaciones a la verdad y sin pretensiones de dogma.

 

LA MEDICIÓN EN LA QUÍMICA

Sistema Internacional de Unidades de Medidas (SI)

Los científicos han trabajado arduamente para mejorar y dar uniformidad a los sistemas de medidas. La primera acción se dio al finalizar la Revolución Francesa (1789) cuando se adoptó en Europa el sistema métrico. Sin embargo, durante mucho tiempo se han utilizado sistemas unidades trayendo consigo mucha confusión y pérdida de tiempo. Un ejemplo claro de esta molestia se dio en Inglaterra ya que muchos científicos emplearon el sistema MKS, en el cual seleccionaron como base tres cantidades físicas: masa, longitud y tiempo y como unidades, el metro, el kilogramos y el segundo, respectivamente. Al mismo tiempo, los ingenieros han estado usando otros sistemas basados en las mismas cantidades físicas pero con unidades diferentes; el pie como unidad de longitud, la libra como unidad de masa y el segundo como unidad de tiempo. Este es el sistema norteamericano o inglés.

El sistema métrico ha evolucionado desde su adopción. Se han realizado numerosas conferencias internacionales con el propósito de redefinir y regularizar el sistema de unidades. La XI Conferencia de pesas y medidas propuso cambios fundamentales en el sistema métrico y formuló un nuevo nombre Sistema internacional de unidades, conocido comúnmente como sistema SI, del francés Système International. Básicamente, el sistema SI es una extensión del sistema MKS (metro, kilogramo, segundo) y se espera que con el tiempo sea el único sistema usado en todo el mundo.

Magnitud física	Símbolo	Unidad básica en el SI	Símbolo de la unidad
Longitud	l	metro	m
Masa	m	kilogramo	kg
Tiempo	T	segundo	s
Intensidad de la corriente eléctrica	I	amperio	A
Temperatura termodinámica	T	grado kelvin	K
Cantidad de sustancia	n	mol	mol
Intensidad luminosa	Iv	candela	cd

Magnitudes fundamentales y derivados

· Masa

Definición: cantidad de materia contenida en un cuerpo específico.

La masa de un cuerpo es constante y no varía, ya sea que se mida en Panamá o en China

· Temperatura

Definición: es la magnitud que contempla el contenido calórico de un cuerpo; depende del promedio de la vibración de las moléculas.

· Longitud

Definición: es la dimensión que corresponde a la largura de un objeto.

· Cantidad de Sustancia

Definición: unidad con que se mide la cantidad de sustancia.

· Volumen

Definición: es el espacio cúbico que ocupa una sustancia.

· Densidad

Definición: masa de una sustancias que ocupa un volumen unitario, expresada como la masa dividida entre el volumen.

· Presión

Definición: magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie; fuerza por unidad de área, ya sea que se exprese como libras por pulgada cuadrada (psi), centímetros de mercurio (cm Hg), milímetros de mercurio (mm Hg), torr, pulgadas de mercurio (pulg. Hg), atmósferas (atm), pascales (Pa) o milibares (mbar).