La Química como ciencia experimental Liceo Marta Donoso Espejo La Química como ciencia experimental Profesor: Sr. Edmundo Olave S.M Universidad de Chile

Aprendizajes esperados Comprender la evolución de la química desde los orígenes de la humanidad hasta nuestros días. Conocer los aspectos más relevantes de la química como ciencia experimental. Comprender los conceptos fundamentales de la química: clasificación, composición y estructura de la materia y las transformaciones que experimenta Reconocer la importancia de la química como parte del desarrollo humano.

¿Qué es Química? En cada momento de nuestra de vida estamos en contacto con la química, en el interior de nuestro cuerpo, fabricación de materiales, medicamentos, etc. La Química es una ciencia que que estudia la materia, su composición, estructura y los cambios que experimenta.

Ramas de la química Química del petróleo o Petroquímica: Investiga y desarrolla nuevos productos, tales como plásticos, combustibles y otros materiales sintéticos. Química farmacéutica: Trabaja en el desarrollo de nuevos medicamentos para el diagnóstico y el tratamiento de nuevas enfermedades

Ramas de la Química Química ambiental: Estudia la contaminación del ambiente, los efectos de los contaminantes; y las medidas de prevención y descontaminación. Química industrial: Estudia las propiedades físico-químicas de un sinfín de materiales y transforma las materias primas en otros productos.

La Química a través del tiempo En el desarrollo histórico de la Química como ciencia, se observan períodos caracterizados por el conocimiento que se alcanza y por la aplicación de técnicas. Período Prehistórico Las personas exploran su territorio, tratando de adaptarse y de comprender su entorno. Se usan materiales extraídos directamente de la naturaleza, como piedras, ramas de los árboles, huesos y pieles de animales para fabricar utensilios de uso diario. Se usa el fuego para la cocción de alimentos.

La Química a través del tiempo Período Antiguo (2500-600 a.C): Se conocen los primeros metales, como el cobre y el oro. Gracias al fuego se experimentan las primeras transformaciones químicas que darán origen a las aleaciones, como el bronce (aleación de Cu y Sn) usado para fabricar utensilios. Los egipcios utilizan las técnicas metalúrgicas para la obtención de metales; preparan colorantes, pigmentos, vidrios, cerámicos, bálsamos y venenos. Aplican la fermentación para la elaboración del pan y la cerveza.

La Química a través del tiempo Período Griego (600-300 a.C) Se definen las primeras teorías sobre la naturaleza de la materia. En el siglo V, Demócrito de Abdera (460-370 a.C), postula que el átomo es la partícula más pequeña de la materia (materia discontinua). Aristóteles de Estagira (384-323 a.C) propone, a diferencia de Demócrito, que la materia es continua y uniendo los pensamientos de Thales de Mileto, Anaxímines, Heráclito y Empedocles, establece la teoría de los cuatro elementos, la cual consiste en que la materia está formada por cuatro elementos (tierra, aire, agua y fuego) en distintas proporciones, prevaleciendo esta teoría por más de 2000 años.

La Química a través del tiempo Alquimia (100 a.C a 1500 d. C) Época precursora de la Química, relacionada con la “magia oscura”. Se cree que la materia puede transformarse hasta alcanzar su perfección; se buscan métodos para obtener la piedra filosofal, capaz de transformar los metales en oro, mediante la transmutación, y el elixir de la inmortalidad. Se descubren muchas sustancias químicas, como los ácidos fuertes y se desarrollan técnicas de laboratorio como la destilación, además se implementan métodos efectivos para medir la masa de sus ingredientes, usados hasta el día de hoy. Se inicia la simbología química. Alquimistas destacados: Geber, Al-Razi Nicolás Flamel.

La Química a través del tiempo Iatroquímica (siglo XVI) Se aplican los conocimientos y técnicas adquiridas por la Alquimia para la elaboración de remedios y drogas. Se curan enfermedades a base de extractos minerales y vegetales. Paracelso (1493-1541) se destaca por la utilización de compuestos químicos en la medicina. Adquiere conocimientos sobre las reacciones químicas y los efectos de los medicamentos que produce.

La Química a través del tiempo Flogisto (siglo XVII) Se inicia el estudio de las transformaciones químicas, especialmente del fenómeno de la combustión, proceso durante el cual las sustancias arden. George Sthal (1650-1734) postula la teoría del flogisto para explicar porque algunas sustancias arden y otras no, plantea que los combustibles al arder una pierden una sustancia llamada flogisto, el cual se perdía al entrar en contacto con el aire.

La Química a través del tiempo Período Moderno (siglo XVIII a XIX) Surge oficialmente la química, como una ciencia inductiva, experimental y racional, diferenciándola de su predecesora, la alquimia. Centra su interés en el estudio de los gases, la composición de las sustancias químicas y la combustión. Destacan científicos como: Joseph Priestley (1733-1804), que logró aislar el oxígeno; Henry Cavendish (1731-1810), que determina la composición del agua; Antoine Lavoisier (1743-1794), que interpreta la combustión como una reacción química y enuncia la Ley de conservación de la masa, que derriba la teoría del flogisto; John Dalton (1766-1844) que enuncia la teoría atómica, que derriba la teoría de la continuidad de la materia de Aristóteles. A. Lavoisier

La Química a través del tiempo Período Atómico (siglo XX - …) Se descubren las partículas subatómicas, se plantean modelos atómicos, se interpreta el fenómeno de la radioactividad y se aplica la energía nuclear. Destacan científicos como J. J. Thompson (1856-1940), que descubre el electrón; Ernest Rutherford (1871-1937), que descubre el núcleo atómico; Niels Bohr (1885-1962) que postula niveles de energía en el átomo. En radioactividad destaca el matrimonio Curie, quienes descubrieron los elementos como el Polonio (Po) y el Radio (Ra)

Técnicas básicas de laboratorio Filtración: Sirve para separar un sólido que se encuentra en suspensión en un líquido. La mezcla se vierte sobre un material poroso como el papel filtro que permite el paso solamente del líquido y retiene el sólido. Destilación: Se usa para separar mezclas líquidas: de un sólido disuelto en un líquido o de dos líquidos con diferentes puntos de ebullición. De esta forma al calentar la mezcla el líquido más volátil se evapora y se hace pasar por un refrigerante, condensándose.

Técnicas básicas de laboratorio Tamizado: Se usa para separar los componentes de una mezcla de sólidos de distinto tamaño o de sólidos no disueltos en un líquido, a través de un tamiz (colador), que es una malla o tela muy tupida.

Propiedades de la materia Para diferenciar la gran variedad de materia que existe a nuestro alrededor debemos considerar sus propiedades o características. Propiedades físicas: Son las características que pueden observarse y medirse sin que se modifique la composición o estructura de la materia, se cuantifican de acuerdo a los unidades acordadas por el Sistema Internacional de Unidades (SI). Ejemplos: Masa: Cantidad de materia de un cuerpo. Volumen: Espacio que ocupa un cuerpo. Densidad: Relaciona la masa y volumen de un cuerpo. Peso. Punto de fusión. Color y textura.

Propiedades de la materia Propiedades químicas: Corresponden a las características que determinan qué cambios o transformaciones puede experimentar la materia en su composición y estructura interna. Ejemplos: Capacidad de reaccionar con oxígeno, por ejemplo al quemar un papel. Reacción con ácidos; como limón, vinagre, ácido clorhídrico (HCl), ácido sulfúrico (H2SO4). Reacción con bases, como el hidróxido de sodio (NaOH), y las pastillas antiácidas. Reacción con el agua, como la oxidación de metales con agua.

Estructura de la materia El átomo está conformado por una por una parte central llamada núcleo, rodeado de una capa externa llamada electrósfera donde se encuentran los electrones. Núcleo atómico: Es muy pequeño: menos del 0,1% del volumen total. Es muy masivo: contiene el 99,9% de la masa total. Contiene las partículas subatómicas llamadas protones, con carga positiva y neutrones, sin carga eléctrica.

Estructura de la materia Electrósfera: Los electrones forman una “envoltura” de carga negativa en torno al núcleo atómico. Constituye el 99,9% del volumen del átomo. Los electrones, ubicados en esta región, pueden cederse, aceptarse o compartirse entre dos átomos. Núcleo

Estructura de la materia Conceptos relacionados con la estructura atómica. Número atómico (Z): Corresponde al número de protones (p+) de un átomo. Z = p+ Número másico (A): Corresponde a la suma de protones y neutrones (nº) de un átomo. A = p+ + nº La estructura del átomo permite reconocer que el átomo es eléctricamente neutro, es decir el número de electrones es igual al número de protones Z = p+ = e-

Estructura de la materia Actividad: Complete la tabla. Elemento Z A p+ nº e- 6 31 15 24 28 35 30 49 115 83 126 77 192

Modelos atómicos Un modelo científico es una imagen mental que nos permite comprender algo que no podemos ver ni vivenciar directamente, lo cual puede representar materia macroscópica (modelos del Universo) y materia microscópica (los modelos atómicos). La idea que tenemos actualmente de átomo, descrita anteriormente, es resultado de un largo proceso de investigación en el que se han postulado algunas teorías hasta llegar al modelo actualmente aceptado. Se han propuesto cinco modelos, atómicos a lo largo de la historia, los cuales se han ido descartando en la medida que aparecen: Teoría atómica de la materia de Dalton (1809). Modelo de Joseph John Thomson (1897). Modelo de Ernest Rutherford (1911). Modelo de Niels Bohr (1913). Modelo Mecanocuántico (1927) Erwin Schrödinger y otros.

Modelos atómicos

Clasificación química de la materia Considerando la composición química de la materia, existen dos tipos de sustancias: sustancias puras y mezclas. Sustancias puras: Clase de materia formada por un mismo tipo de partículas (átomos o moléculas), que posee una composición definida, donde encontramos elementos y compuestos químicos.

Clasificación química de la materia Elementos químicos: No pueden descomponerse en sustancias más simples. Constituida por átomos de la misma clase (igual número atómico). Se representan mediante símbolos químicos. Compuestos químicos: Pueden descomponerse en sustancias más simples, mediante procesos químicos. Constituidos por dos o más elementos diferentes, con composición definida y constante. Se producen en un cambio químico. Se representan mediante fórmulas químicas.

Clasificación química de la materia Mezclas: Corresponde a la unión de dos o más sustancias con una composición variable, que no se encuentran químicamente combinados. Existen de dos tipos: Mezclas homogéneas: Sus componentes están mezclados uniformemente, son miscibles formando una sola fase. Se llaman también soluciones químicas. El componente de menor proporción se denomina soluto (fase dispersa) y el de mayor proporción solvente (fase dispersante). Sal disolviéndose en agua

Tipos de soluciones según su estado físico Solvente Soluto Gas Líquido Sólido Aire CO2 en agua H2 en platino húmedo Alcohol en agua Mercurio en oro Yodo sublimado Azúcar en agua Aleaciones: Bronce: Sn + Cu Latón: Cu + Zn

Clasificación química de la materia Mezclas heterogéneas: Son aquellas mezclas cuyos componentes no están distribuidos de manera totalmente uniformemente y pueden distinguirse con facilidad, son inmiscibles. Existen de dos tipos: Suspensión: Mezcla heterogénea en que el sólido (medio disperso) y el líquido (medio dispersante) no se forman un cuerpo uniforme, separándose en sus fases. Ej: mote huesillos, agua con arena. Mote con huesillos

Clasificación química de la materia Emulsión: Mezcla heterogénea de dos líquidos inmiscibles, es decir que no se unen debido a su distinta naturaleza. Las sustancias inmiscibles se separan mediante el embudo de decantación

Iones y moléculas En la naturaleza, los átomos neutros interactúan constantemente formando nuevas partículas: iones y moléculas. Iones: Corresponden a átomos neutros que ganan o pierden electrones, transformándose en átomos cargados eléctricamente. Si un átomo pierde electrones se convierte en un ion positivo o catión. En caso que acepta o reciba electrones queda cargado negativamente y se denomina anión.

Iones y moléculas Moléculas: Agrupaciones de átomos iguales o distintos de cantidad definida que representan la mínima cantidad de materia en estado libre. Existen moléculas de elementos: H2, N2, O2, Cl2, O3, Br2, P2, P4, S8. Existen moléculas de compuestos: NH3, CO, CO2, H2O, H2O2, HNO3, C6H12O6.

Estructura cristalina de la sal (NaCl) Iones y moléculas Red cristalina: Estructura ordenada de átomos que obedecen a un patrón geométrico que se repite numerosas veces, que a diferencia de la molécula, está formada por un número indefinido de átomos. Ej: la sal. Estructura cristalina de la sal (NaCl)

Los cambios de la materia Una característica fundamental de la materia es que no se mantiene estática ni invariable, sino que se transforma y modifica. Podemos distinguir dos tipos de cambios: Cambios físicos: Transformaciones que sufre la materia sin que se altere ni modifique su composición. En su mayoría son reversibles. La masa se mantiene constante durante el cambio físico. Ej: cambios de estado, arrugamiento de un papel, etc.

Los cambios de la materia Cambios químicos: Transformación en las que se altera la composición química de la materia. Suelen ser procesos irreversibles. Corresponden a las llamadas reacciones químicas. Ej: Combustión, oxidación, digestión de alimentos, etc.

Identificar procesos químicos en las siguientes imágenes F1 F3

Reacciones químicas Reactantes Productos Las reacciones químicas se producen cuando una o más sustancias químicas, llamadas reactantes, se transforman en nuevas sustancias, llamadas productos. Características: Obedecen a la Ley de conservación de la materia, lo que significa que la masa de los reactantes es igual a la de los productos. Ocurren por un cambio energético: se puede liberar calor (reacción exergónica) o absorber calor del entorno (endergónica) Se representan mediante ecuaciones químicas. Reactantes Productos

Equilibrio de ecuaciones Balancee las siguientes ecuaciones químicas y complete el cuadro: N2 (g) + H2 (g) + energía NH3 Nº de moléculas Nº de átomos Reactantes Productos Nitrógeno reactante Nitrógeno producto Hidrógeno reactante Hidrógeno producto