Química 1

Quimica 1 – Primer Semestre

1.4 CARÁCTER CUANTITATIVO DE LA QUÍMICA


Al hablar de las características del estudio de la Química, hemos mencionado como sus tres pilares el lenguaje, el uso de síntesis y análisis, y la cuantificación, o sea el uso de mediciones y cálculos.

En esta sección, con la que terminamos el tema introductorio, vas a aprender acerca del papel de las cuantificaciones que se hacen en la Química, pero además trataremos de conjuntar los conocimientos que se han planteado hasta aquí para que logres un aprendizaje integrado.

Cuando se estudian los fenómenos naturales, sean éstos de cualquier tipo (físicos, químicos o nucleares). El primer paso para su estudio es la observación. Esta percepción de los fenómenos es nuestro único contacto con el mundo físico y son nuestros sentidos los que se encargan de comunicarnos la forma en que está sucediendo el fenómeno. Los datos experimentales que obtenemos provienen de sucesos observables y son mejores o peores en la medida que lo sean los métodos de detección. El hombre ha aprendido por medio de sus experiencias que sus sentidos están limitados para percibir los fenómenos y ha inventado una gran cantidad de instrumentos para facilitar sus observaciones, tales como el microscopio, el telescopio, la balanza, el potenciómetro y el espectrofotómetro, entre otros.

Sin embargo, no existe una distinción especial entre las observaciones obtenidas por los sentidos y las alcanzadas por medio de instrumentos, salvo en la precisión proporcionada por los equipos ya que, en principio, la utilización de éstos no afecta la realidad de la observación.

La mayor parte de las veces la finalidad de la observación es obtener una medida cuantitativa de los fenómenos; es decir, una relación que indique la magnitud del suceso que se está observando. Generalmente dicha magnitud se expresa con un número y una unidad, que sirve para comparar con sucesos similares.

De acuerdo con lo anterior, surge una pregunta capital que resulta ser la parte medular de este apartado.

1.3 EL MÉTODO DE LA QUÍMICA


Para entender lo que es el método experimental, recordemos un pasaje de la vida de Louis Pasteur (1822-1895). Para que sea más claro lo iremos explicando por pasos:

Primer Paso

Monsieur Bigo, destilador de alcohol, se encontraba en apuros, por lo que decidió visitar a Louis Pasteur en su laboratorio y pedirle ayuda.

Louis Pasteur aceptó y lo acompañó a la destilería, olfateó las cubas que no daban alcohol, tomó muestras de la sustancia gris y viscosa para llevarla a examinar a su laboratorio, sin olvidar de recoger muestras de pulpa de remolacha sana en fermentación. Volvió al laboratorio, se rascó la cabeza y decidió examinar las sustancias llevadas. Puso una gota del producto bajo el microscopio y vio que estaba llena de diminutos glóbulos mucho más pequeños que cualquier cristal conocido, de un color amarillento, y en cuyo interior había enjambres de curiosos puntos en continuo movimiento. Intrigado se preguntó: “¿Qué tendrán las cubas enfermas?. ¿Qué será esto?. ¡Pero si aquí no hay fermentos!. ¿Dónde podrían estar?. Aquí no hay más que una masa confusa. ¿Qué querrá decir esto?”.

Como ves, en primer lugar tenemos que detectar un problema, para lo cual se deben hacer preguntas significativas sobre un fenómeno; pero no es posible hacerlo si se carece de la información más elemental sobre el fenómeno en estudio. En el momento en que un hecho es conocido, toma el nombre de fenómeno.

¿Cuál era el fenómeno que estudiaría Pasteur?

La información sobre un fenómeno puede ser captada por medio de la observación directa, como en el caso de Louis Pasteur (sentido de la vista), e indirectamente a través de los antecedentes legados por los estudios anteriores, es decir, mediante una revisión bibliográfica.

Segundo Paso

En las paredes de este frasco hay motitas grises y otras flotando en la superficie del líquido. Veamos… No, no aparecen en el líquido donde hay fermentos y alcohol. ¿Qué podrá ser?.

Con cierta dificultad logró separar una de aquellas motitas, y colocarla en una gota de agua pura, para examinirla bajo el microscopio. En lugar de glóbulos de fermentos encontró algo completamente diferente, algo extraño y nunca visto: “grandes masas danzantes y enredadas de pequeños bastoncitos, sueltos unos, a la deriva otros, como cadenas de botecillos, agitados por una vibración incesante y extraña. ¿Qué podrá ser esto?”.

Observar todos aquellos aspectos que pueden ser causa de los fenómenos es un paso importante en todo método.

¿Qué observarías tú en el caso anterior para investigar por qué el contenido de las cubas no se comportaba de la misma manera?

El siguiente punto es la delimitación del problema, para lo cual se requiere de un arduo trabajo intelectual apoyado en la información lograda para elegir la pregunta más adecuada y trabajar sobre ella.

Pasteur, al estudiar el problema de la fermentación, se planteó varias preguntas y poco a poco enfocó su atención a una de ellas. Esto significa que cuando surge una serie de preguntas sobre un problema, es necesario jerarquizarlas para resolverlas una por una y al final integrarlas y poder resolver un problema mas general.

Tercer Paso

Tal vez estos bastoncitos del líquido de las cubas enfermas están vivos, tal vez compitan con los fermentos, venciéndolos. ¡Los bastoncitos son los que impiden la formación del alcohol, produciendo ácido láctico, del mismo modo que las levaduras son el fermento del alcohol! Era una conjetura, pero, en su interior, algo le decía a Louis Pasteur que tenía razón. En la cabeza le zumbaban proyectos para comprobar su conjetura.

Una vez que se tiene perfectamente claro el problema, se plantean las alternativas que tentativamente lo pueden solucionar. Toda posible respuesta o explicación encaminada a solucionar tentativamente un problema (hasta que se demuestre lo contrario) recibe el nombre de hipótesis, la cual representa una anticipación a la propia experimentación.

La hipótesis generalmente se establece al observar con precisión las semejanzas entre diversos fenómenos: conociendo la causa de uno de ellos, se emite la hipótesis, a fin de explicar los otros fenómenos, por la misma causa. También la hipótesis surge como conclusión de razonamientos inductivos o deductivos.

En este sentido, ¿qué importancia tiene establecer una hipótesis?

Cuarto Paso

En esta mezcolanza del líquido de las cubas de fermentación me es imposible estudiar los bastoncitos que considero como seres vivos -reflexionaba Pasteur-. Tengo que inventar una especie de caldo trasparente para poder ver lo que sucede: tendré que idear un medio nutritivo especial para ver si se reproducen, para ver si aparecen miles donde sólo existía uno.

Lo que procede a continuación es probar la hipótesis, para lo cual se diseña un experimento que proporcione los datos que ratifiquen o refuten la hipótesis.

La experimentación es la reproducción, y por ende a voluntad de un fenómeno para estudiarlo en su desarrollo, estableciendo y controlando deliberadamente los parámetros

o variable así como las condiciones más adecuadas para observar y medir todo lo que genera el fenómeno estudiado.

Si es difícil detectar todas y cada una de las variables, al menos se deben encontrar las que influyen directa y determinantemente en el problema estudiado, para evitar lamentaciones como: “¡se me olvidó considerar la temperatura!”; “¡no consideré la concentración!”; “¡no pensé que la espátula se disolviera en el ácido!”, etcétera. No se trata de “manejar” a la vez todas las variables, porque sería complicado; entre menor sea el número de variables que se trabajen, mayor seguridad se tendrá en el desarrollo del experimento. Para seleccionar las variables pertinentes de un experimento, se dividirán en dos grandes grupos:

Las variables dependientes, que son las principales en un experimento, y, obviamente, las que se determinen experimentalmente y, de hecho, están enunciadas en el problema. Y las variables independientes, cuya influencia puede modificar a las variables dependientes, por lo que se deben mantener bajo control, permaneciendo constantes a través de todo el experimento.

Quinto Paso

Tal vez no haya ningún caldo transparente que me permita ver crecer estos bastoncitos, pero me asomaré por si acaso. Alzó el frasco hacia la luz de gas y murmuró: Hay hileras de burbujas que brotan de las motitas grises que deposité ayer; hay muchas motitas nuevas y de todas ellas brotan burbujas. ¡Había llegado el momento de despejar la incógnita!. Puso una gota en una placa y la observó a través del microscopio. ¡Por fin! El líquido estaba plagado de millones de bastoncitos. ¡Se han multiplicado! ¿están vivos? exclamó.

Del experimento se desprenden los resultados, estos pueden ser de dos tipos: numéricos y de información ocular como cambios de color, formación de precipitados

o cristales, producción de gases, etcétera. Es por eso que el experimentador no se debe distraer para captar con todo rigor lo que el experimento le pueda ofrecer o le muestre.

¿Qué tipo de resultados obtuvo Pasteur?.

¿Consideras que a partir de los resultados se puede aceptar o rechazar una

hipótesis?.

Sexto Paso

Finalmente, los resultados deben ser sometidos a discusión para que se emitan las conclusiones. Discutir significa examinar cuidadosamente los resultados.

En las conclusiones a que se puede llegar con el experimento realizado se debe tomar en cuenta la hipótesis y el problema planteado para contestar si la hipótesis fue cierta o no y si el problema se resolvió o no. Además se pueden incluir sugerencias que permitan mejorar el experimento, reproducirlo o realizar cualquier situación que ayude a comprenderlo mejor.

a) La importancia de la observación cuidadosa

Como has notado, a lo largo del método experimental se presenta una y otra vez la observación; este proceso es muy importante, y para que lo entiendas recurriremos a una obra de Sir Arthur Conan Doyle, creador de Sherlock Holmes, en la que manifiesta que Holmes debía su éxito a su habilidad para realizar observaciones críticas, a diferencia del doctor Watson, quien no sabe observar, suscitándose el siguiente diálogo entre ellos:

-De acuerdo, usted ve pero no observa. La diferencia es clara. Por ejemplo; usted ha visto con mucha frecuencia los escalones que conducen desde el vestíbulo a esta habitación.

-Frecuentemente

-¿Con qué frecuencia?

-¡Bien, centenares de veces!

-Entonces, ¿cuántos escalones hay?

-¿Cuántos? No lo sé

-Perfectamente, usted no ha observado, aunque haya visto. Ésta es precisamente la diferencia, pues yo sé que existen 17 escalones, porque he visto y he observado al mismo tiempo.3

Aunque el número de escalones no era importante, Holmes mantenía siempre activo su poder de observación.

Te invitamos a que tú también desarrolles y practiques esta habilidad.

Es posible comparar al científico con el detective, ya que para obtener respuestas a sus preguntas emplean métodos muy parecidos; de igual forma, el éxito en el trabajo de ambos consiste en la observación que ha de ser escrupulosamente honesta.

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

En alguna ocasión te habrás encontrado en una situación en donde solamente te dediques a ver y no a observar, como por ejemplo el arco iris.

¿Podrías describirlo? _____________________________________________________

¿En qué orden aparecen los colores? ________________________________________

b) Análisis y síntesis en la metodología

Los químicos pasan gran parte de su tiempo en el laboratorio, separando e identificando los constituyentes de las sustancias. “Divide y vencerás”, tal puede ser el lema de las primeras generaciones de químicos que fueron esencialmente analistas, “desmenuzadores” de la materia. Por medio del análisis químico descubrieron muchos de los elementos que existen en la Tierra y también pudieron entender qué partes integran los compuestos químicos, simples o complejos, desde la sal común hasta las proteínas. Gracias al análisis, los químicos descifraron la composición de las rocas y minerales y ayudaron a los geoquímicos a establecer la proporción de los elementos en la Tierra.

La finalidad de los análisis realizados diariamente en el laboratorio químico es de índole diversa. Puede tratarse del control de un producto acabado o que se encuentra en una fase intermedia de elaboración, sea cual fuere su naturaleza: medicamento, cemento, metal, etcétera. Puede utilizarse también para establecer presuntos actos delictivos, mediante el análisis de las trazas de pólvora de un disparo, o en la determinación de una sustancia tóxica. Los especialistas y consejeros en agronomía se ocupan del análisis del suelo, permitiendo fijar el tipo de cultivo al cual se presta mejor y el abono que más conviene utilizar.

Otra actividad cotidiana de los químicos es la síntesis de sustancias, que en muchas ocasiones ni siquiera existen en la naturaleza. Muchos de los productos químicos que nos rodean como los medicamentos, plásticos, colorantes, detergentes, etcétera, son productos complejos que el químico construye partiendo de productos de base simple, como si estuviera jugando con un rompecabezas, alternando las etapas de síntesis y las de purificación. A veces se encuentra con productos nuevos, que resultan ser un medicamento eficaz, un abono revolucionario o un nuevo material a la vez ligero y muy resistente.

Si revisáramos las guías farmacéuticas modernas veríamos que el 25% de las medicinas son preparados naturales. Las demás son sustancias medicinales sintetizadas por el poder de la Química y desconocidas en la naturaleza. En la actualidad, durante un solo día, los químicos sintetizan variedad de nuevos medicamentos, desde analgésicos hasta preparados para curar enfermedades psíquicas.

A continuación te presentamos un ejemplo de síntesis de sustancia.

La primera síntesis de una sustancia medicinal se realizó hace unos cien años. Hacía ya tiempo se conocía la propiedad curativa del ácido salicílico sobre el reumatismo, pero era muy difícil y caro obtenerlo a partir de la materia prima vegetal. Sólo en 1874 se logró elaborar un procedimiento simple para preparar el ácido salicílico a partir del fenol.

El dolor siempre ha sido compañero de por vida de los seres animados, ya que es un mecanismo de alerta cuando algo no va bien en el organismo; empero, el hombre ha podido controlarlo por medio de ciertas sustancias llamadas analgésicos; uno de ellos es el ácido salicílico, y, sin embargo, causa daños a la mucosa estomacal, por los que los

3 CANON Doyle, A: Un escándalo en Bohemia.

químicos se preguntaron: ¿Cómo disminuir el daño estomacal que produce el uso del ácido salicílico como analgésico?.

Mediante un proceso de síntesis los químicos lograron solucionar este problema al unir a la molécula del ácido salicílico un radical acetilo, convirtiéndolo en ácido acetil salicílico. Esta sustancia sirve de base para muchos preparados medicinales, entre ellos la aspirina común, pero existen diversos productos farmacéuticos que la incluyen. ¿Recuerdas alguno? Si observas en la caja la composición de algunos medicamentos de tu casa verás cuáles contienen ácido acetil salicílico.

Restaurar la salud de las personas es una tarea noble para los químicos, pero, al mismo tiempo, la más difícil. Largo es el camino de un medicamento cualquiera desde el matraz de laboratorio hasta el mostrador de una farmacia, ya que no basta con saber que puede curar con éxito una enfermedad determinada, también se necesita analizar detalladamente de qué modo actúa y cuál es su mecanismo químico de lucha contra dicha enfermedad.

Como vez, el análisis y la síntesis son dos procesos que los químicos emplean cotidianamente en su trabajo, de la misma manera que contribuir a la experiencia de la enseñanza-aprendizaje es la tarea de un docente.

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

Una vez que hayas revisado el esquema podrás distinguir los pasos que se deben seguir en el método científico.

1.3 EL MÉTODO DE LA QUÍMICA


El hombre, para poder transformar la realidad, necesita descubrir cómo funciona. No cabe duda que el investigador se ve obligado a elaborar y reelaborar su propio método de trabajo para llegar a desentrañar los secretos de la naturaleza. El método es el conjunto de procedimientos para realización de un fin; éste se deriva de la experiencia misma, y son los resultados obtenidos los que indican si es o no el adecuado. El método particular de las ciencias naturales es el método experimental, el cual no es una “receta” que al seguirse paso a paso resolverá automáticamente los problemas.

1.2.1 CONCEPTOS QUÍMICOS EMPLEADOS EN EL LENGUAJE COMÚN


Hablaremos primero de los conceptos. En Química empleamos algunas palabras que son de uso común, pero que adquieren un nuevo significado en nuestro contexto. La palabra materia, por ejemplo, se asocia comúnmente al estado sólido de la misma, mientras que en Química incluye los estados sólido, líquido y gaseoso, se define como aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Otro ejemplo es la sal, que comúnmente es un condimento en los alimentos y en nuestro contexto es la sustancia producida en la reacción entre ácido y una base, y qué decir del significado de mezcla y gas, o todo lo que químicamente encierra el término metal, y lo inusual de utilizar otro término igualmente importante: no metal. Aun adentrándonos en el mundo de la estructura de la materia, muchos términos se han filtrado al lenguaje común: átomo, elemento, órbita y otros más que nos ayudan a entender nuestro mundo. Sin embargo, lo que más le interesa a la Química es entender el significado que tiene cada uno de ellos.

a) Conceptos químicos nuevos

Existen también algunos términos que serán nuevos para ti, ya que no se utilizan en el lenguaje común. Habrá que familiarizarse con ellos e incluirlos en ejemplos cotidianos para aprender a utilizarlos. Así, por ejemplo, llamaremos tensión superficial a la propiedad que tiene el agua por la cual los mosquitos no se hunden al posarse sobre ella y presión de vapor a otra propiedad por la que se evapora antes de la ebullición.

Por último, hay una serie de conceptos abstractos (leyes, teorías, modelos, etcétera) que rebasan la experiencia cotidiana. Éstos son una nueva manera de conocer los fenómenos, complementando la explicación del sentido común. Para entender, por ejemplo, las diferencias entre un gas, un líquido y un sólido, recurriremos al modelo cinético molecular, que explica el comportamiento de las partículas en cada estado de agregación. (sólido, líquido y gaseoso).

b) Los símbolos de los elementos

Nos referiremos ahora a los nombres de los elementos, ya que el nombre que la Química da a las diversas sustancias se basa en los elementos.

Actualmente existen más de 100 elementos, algunos de ellos fabricados por el hombre. La manera en que se ha llegado a dar nombre a cada uno de esos elementos está llena de historias interesantes.

En el siglo XV los elementos ya descubiertos se reducían a trece: oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), hierro (Fe), estaño (Sn), plomo (Pb), mercurio (Hg), carbono (C), azufre (S), arsénico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y zinc (Zn), y en los últimos cinco siglos se han descubierto los restantes.

En algunos casos, el nombre de los elementos fue modificado en diferentes etapas antes de quedar el que ahora tiene; por ejemplo, el oxígeno primero fue llamado aire de fuego y el cloro, que debe su nombre a su color, fue llamado ácido marino desflogistizado por su descubridor. El químico Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) fue quien estableció el sistema para simbolizar los elementos como los conocemos actualmente. Los nombres de los elementos más importantes, sus símbolos correspondientes y sus características hay que aprenderlos, pues son las vocales de nuestro alfabeto químico y nos sirven para identificar a todas las sustancias.

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

Busca en la tabla periódica de los elementos químicos los símbolos de los siguientes elementos y anótalos en los renglones correspondientes.

Hidrógeno ___________ Magnesio ________________ Sodio _______________

Cloro _______________ Nitrógeno ________________ Calcio ______________

Los objetos que nos rodean están formados por sustancias, las cuales se componen, por lo general, de más de un elemento. Muchas de éstas, como ya habíamos mencionado, tienen nombres comunes. Si tuviéramos que aprendernos tanto nombres comunes como compuestos existen, estaríamos hablando de cientos de miles de palabras; por esta razón, los químicos han establecido un sistema para nombrar los compuestos, como se muestra en el siguiente cuadro.

Nombre Común Fórmula Nombre Químico
Cal viva CaO óxido de calcio
Agua H2O agua
Polvo de hornear NaHCO3 hidrogenocarbonato de sodio
Sal de uvas MgSO4 7 H20 sulfato de magnesio heptahidratado
Gas de la risa N2O2 óxido de nitrógeno (IV)
Leche de magnesia Mg(OH)2 hidróxido de magnesio
Ácido muriático HCI cloruro de hidrógeno
Pirita (oro de tontos) FeS disulfuro de hierro (II)
Sal NaCl cloruro de sodio
Sal de amoniaco NH4CI cloruro de amonio

Lavoisier estableció una manera de sustituir el fantasioso lenguaje de los alquimistas, al llamar cloruro de sodio a un compuesto de cloro y sodio (sal común, NaCl); al gas formado por hidrógeno y azufre lo llamó sulfuro de hidrógeno (H2S). Cuando varios compuestos se formaban por los mismos elementos, pero en distinta proporción, les dio nombres relacionados, por ejemplo, los cuatro ácidos compuestos de hidrógeno, cloro y oxígeno los llamó: ácido hipocloroso, ácido cloroso, ácido clórico y ácido perclórico, de acuerdo con su creciente contenido de oxígeno, y cuando se sustituía el hidrógeno por sodio los llamó hipoclorito sódico, clorito sódico, clorato sódico y perclorato sódico.

Fórmula Nombre Fórmula Nombre
HCIO ácido hipocloroso NaClO hipoclorito sódico
HCIO2 ácido cloroso NaCIO2 clorito sódico
HCIO3 ácido clórico NaCIO3 clorato sódico
HCIO4 ácido perclórico NaCIO4 perclorato sódico

Como ves, el nombre de cada compuesto se forma por los nombres de los diferentes elementos que lo constituyen, y sus terminaciones varían de acuerdo a la cantidad o proporción de cada elemento que contienen.

De este modo Lavoisier uniformó la caótica nomenclatura química de la época, transformándola en otra perfectamente lógica. Sin embargo, esta nomenclatura no es la que actualmente se considera como oficial y que estudiarás más adelante en este curso.

El sistema para nombrar los compuestos se estableció en el Congreso de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1940 y la última publicación de este sistema fue en 1989. Aunque existen otros sistemas de nomenclatura, éste es el reconocido oficialmente y el que usaremos en nuestros cursos. Sólo la práctica generará el dominio de este lenguaje; por ello, nos referiremos a los nombres químicos y fórmulas de los compuestos constantemente en el desarrollo de todos los contenidos. La composición de las sustancias es un concepto importante en Química; pero conocer sus componentes no es suficiente para producirlas. En cada caso, la clave de su producción está en la cuantificación de sus ingredientes (por ello las empresas guardan en secreto esta composición). Pequeñas desviaciones en las dosis de ingredientes da por resultado productos con características diferentes. La fórmula de un compuesto indica la cantidad exacta de partículas de cada elemento que intervienen. Así H2O, la fórmula del agua, nos indica que está formada por 2 partículas de hidrogeno y 1 de oxígeno, H2O2, el agua oxigenada, está formada por 2 partículas de hidrógeno y 2 de oxígeno. Diferentes fórmulas o diferentes combinaciones de elementos dan por resultado diferentes productos. Más que aprenderse las fórmulas, lo que tenemos que hacer es aprender a interpretarlas.

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

Completa el cuadro escribiendo el número de partículas que tiene cada elemento de acuerdo a su fórmula.

NOMBRE QUÍMICO FÓRMULA NÚMERO DE PARTÍCULAS
Cloruro de Amonio NH4Cl
Perclorato Sódico NaClO4
Carbonato de Sodio Na2CO3
Ácido Sulfúrico H2SO4

Finalmente, vamos a hablar de otros aspectos importantes del lenguaje: las ecuaciones químicas. Una ecuación es la representación simbólica de una reacción o cambio químico. Hoy en día se realiza mucho esfuerzo en expresar la información en forma concisa y útil. En Química se usan ecuaciones como expresiones cortas o abreviadas de todo lo que implica un cambio observado ya sea en laboratorio o en la vida cotidiana. Una ecuación nos da información sobre las sustancias que intervienen en una reacción y puede predecir los productos que se van a obtener.

Así, por ejemplo, la reacción que ocurre entre el magnesio y el oxígeno del aire, al encenderse el “flash” en una fotografía, se representa con la siguiente ecuación:

Magnesio + Oxígeno = óxido de magnesio 2 Mg + O2

2MgO

Otro ejemplo es la reacción efectuada al gasificar un refresco embotellado que se representa con la siguiente ecuación: Ácido carbónico = agua + dióxido de carbono H2CO3

H2O + CO2

ACTIVIDAD DE REGULACIÓN

¿Podrías ahora identificar cuál es la función del lenguaje químico?. Elabora una pequeña síntesis al respecto.

EXPLICACIÓN INTEGRADORA

Con la revisión del esquema podrás notar que dentro del lenguaje empleado en la Química se utilizan, básicamente, conceptos y símbolos.

TENSIÓN SUPERFICIAL