La química en contexto
A lo largo de la historia de la humanidad, el ser humano ha intentado transformar la materia en cosas más útiles. Nuestros antepasados de la Edad de Piedra tallaban trozos de sílex para convertirlos en herramientas prácticas y esculpían madera para hacer estatuas y juguetes. Estos esfuerzos consistían en cambiar la forma de un objeto sin alterar su composición fundamental. Pero a medida que nuestros conocimientos crecieron, la gente empezó a cambiar también la composición de las cosas: la arcilla se convirtió en cerámica, las pieles se curtieron para confeccionar prendas, los minerales de cobre se transformaron en herramientas y armas, y el grano se convirtió en pan. Los humanos se iniciaron en la química en cuanto aprendieron a controlar el fuego y a utilizarlo para cocinar, fabricar cerámica y fundir metales. A partir de ahí, empezaron a aislar y utilizar tipos específicos de materia. De las plantas se extrajeron diversas drogas como el aloe, la mirra y el opio. Los tintes, como el índigo y la púrpura de Tiro, se obtenían de materia vegetal y animal. Se combinaron metales para crear aleaciones —mezclando cobre y estaño para fabricar bronce, por ejemplo— y métodos de fundición más ingeniosos produjeron hierro. Los álcalis se obtenían de las cenizas, y los jabones se fabricaban mezclando esos álcalis con grasas. El alcohol se producía por fermentación y se purificaba mediante destilación. Los intentos de comprender cómo se comporta la materia se remontan a más de 2500 años. Ya en el siglo VI a.C., los filósofos griegos hablaban de un sistema en el que el agua era la base de todas las cosas. Es posible que hayas oído hablar del postulado griego de que la materia está formada por cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Más tarde, una mezcla de tecnologías químicas y especulaciones filosóficas se difundió desde Egipto, China y el Mediterráneo oriental por obra de los alquimistas, quienes se esforzaban por transformar “metales base” como el plomo en “metales nobles” como el oro, y por crear elixires para curar enfermedades y prolongar la vida.
STEM: Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas
Discusión sobre la química como ciencia central.
A veces se denomina a la química “la ciencia central” porque está conectada con una enorme variedad de otras disciplinas STEM (STEM son las siglas en inglés de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas). La química y el lenguaje de los químicos desempeñan un papel vital en la biología, la medicina, la ciencia de los materiales, la medicina forense, las ciencias ambientales y muchos otros campos.
Los principios básicos de la física son esenciales para comprender muchos aspectos de la química, y existe un enorme solapamiento entre muchas subdisciplinas de ambos campos, como la física química y la química nuclear. Las matemáticas, la informática y la teoría de la información proporcionan herramientas importantes que nos ayudan a calcular, interpretar, describir y, en general, dar sentido al mundo químico.
La biología y la química se unen en la bioquímica, que es crucial para comprender los muchos factores y procesos complejos que mantienen vivos a los organismos (como nosotros, por ejemplo). La ingeniería química, la ciencia de los materiales y la nanotecnología combinan principios químicos y hallazgos empíricos para producir sustancias útiles, que van desde la gasolina hasta tejidos y componentes electrónicos.
La agricultura, la ciencia de los alimentos, la ciencia veterinaria y la elaboración de cerveza y vino ayudan a proporcionar sustento en forma de comida y bebida a la población mundial. La medicina, la farmacología, la biotecnología y la botánica identifican y producen sustancias que ayudan a mantenernos sanos. Las ciencias ambientales, la geología, la oceanografía y las ciencias atmosféricas utilizan muchas ideas químicas para ayudarnos a comprender mejor y proteger nuestro mundo físico. Incluso en astronomía y cosmología se utilizan ideas químicas para ayudar a comprender el universo.
¿Cuáles son algunos de los cambios en la materia esenciales para la vida cotidiana? La digestión y asimilación de los alimentos, la fabricación de polímeros para ropa, envases, utensilios de cocina y tarjetas de crédito, y el refinado del petróleo crudo para obtener gasolina y otros productos son solo algunos ejemplos.
A medida que avances en este curso, irás descubriendo muchos ejemplos diferentes de cambios en la composición y estructura de la materia, cómo clasificar esos cambios y cómo se producen, qué los causa, los cambios de energía que los acompañan y los principios y leyes implicados.
Al aprender estas cosas, estarás aprendiendo química: el estudio de la composición, las propiedades y las interacciones de la materia. La práctica de la química no se limita a los libros de química o a los laboratorios: ocurre siempre que alguien interviene en cambios de la materia o en condiciones que pueden provocar esos cambios.
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El granjero
Esta es mi granja
Es época de cosecha
Este es el periodo de impuestos
Al día siguiente se vio que los dioses me habían olvidado
Mi hijo corrió a la ciudad en busca de un antídoto
He sido salvado
Al día siguiente, vendí la gran cantidad de trigo cosechado
El hombre con el extraordinario nombre de 'Agrónomo' llegó a mi granja al día siguiente
Me sorprendió la visita del agrónomo en un carruaje extraño
Así que decidimos preparar las cosas de nuestro hijo para el viaje con el agrónomo
El hijo del granjero llegó a la ciudad con el agrónomo
La primera parada fue en un lugar que él llamó 'alma mater', pero su nombre real era la universidad futurista
Me llevó a la cátedra de micología (sea lo que sea que eso signifique)
Recordé al doctor que le dio el antídoto a mi padre
Luego hubo varias visitas a sus amigos, y se referían unos a otros como 'colegas'
Así, caminamos de habitación en habitación todo el día
Finalmente, sentí mucha hambre y se lo dije a mi tutor (el Sr. Agrónomo)
Luego visitamos el departamento llamado 'química inorgánica'
El profesor explica que un tema determinado es extremadamente importante para estos procesos, y lo llamó 'energía', sea lo que sea que eso signifique
Hubo varias visitas, y empecé a entender lo que significaba visitar; mi ansiedad crecía con cada parada, pero mi interés crecía al mismo tiempo también
Al día siguiente, regresamos hacia mi casa, pero pedí visitar la fragua de mi tío
Así, me desperté por la mañana y supuse que todo era un sueño, pero...
Durante los siguientes años, dediqué toda mi vida a aprender química. Gracias, Sr. Agrónomo
A partir de ahora, todo el resto de este tutorial tratará sobre el aprendizaje de la química: el estudio de qué está hecha la materia, cómo se comporta y cómo reacciona. No pienses que la práctica de la química es solo para esos libros polvorientos o laboratorios sofisticados. Ocurre todo el tiempo, siempre que alguien interviene en cambios de la materia o en las condiciones que hacen que esos cambios sucedan.
El Método Científico
La química es una ciencia basada en la observación y la experimentación. Hacer química implica intentar responder preguntas y explicar observaciones en términos de las leyes y teorías de la química, utilizando procedimientos aceptados por la comunidad científica. No existe una ruta única para responder a una pregunta o explicar una observación, pero hay un aspecto común en cada enfoque: cada uno utiliza conocimientos basados en experimentos que pueden reproducirse para verificar los resultados. Algunas rutas implican una hipótesis, una explicación tentativa de las observaciones que actúa como guía para recopilar y verificar información. Probamos una hipótesis mediante la experimentación, el cálculo y/o la comparación con los experimentos de otros y luego la refinamos según sea necesario.
Algunas hipótesis son intentos de explicar el comportamiento que se resume en las leyes. Las leyes de la ciencia resumen un gran número de observaciones experimentales y describen o predicen alguna faceta del mundo natural. Si tal hipótesis resulta ser capaz de explicar un gran cuerpo de datos experimentales, puede alcanzar el estatus de teoría. Las teorías científicas son explicaciones bien fundamentadas, integrales y comprobables de aspectos particulares de la naturaleza. Las teorías se aceptan porque proporcionan explicaciones satisfactorias, pero pueden modificarse si se dispone de nuevos datos. El camino del descubrimiento que conduce de la pregunta y la observación a la ley o hipótesis, y luego a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría, se denomina método científico.
El método científico sigue un proceso similar al que se muestra en este diagrama. Todos los componentes fundamentales aparecen representados, siguiendo aproximadamente el orden correcto. El progreso científico rara vez es un camino limpio y ordenado: requiere una indagación abierta y la constante reformulación de preguntas e ideas en función de los hallazgos obtenidos.
Los dominios de la química
Para describir el comportamiento de la materia y la energía, los químicos utilizan tres dominios distintos: el macroscópico, el microscópico y el simbólico. Estos marcos ofrecen diferentes perspectivas para analizar los fenómenos químicos.
El dominio macroscópico:
Derivado de la palabra griega para 'grande', el dominio macroscópico abarca el reino de la experiencia cotidiana. Incluye todo aquello lo suficientemente grande como para ser percibido directamente por los sentidos humanos, como los alimentos que consumimos o la sensación táctil de una brisa. Tanto en la vida diaria como en el laboratorio, este dominio es donde observamos y medimos las propiedades físicas y químicas —como la densidad, la solubilidad y la inflamabilidad— y presenciamos las transiciones visibles de la materia.
El dominio microscópico:
El dominio microscópico, de la palabra griega para 'pequeño', a menudo requiere el uso de la imaginación o de instrumentación especializada. Aunque algunos aspectos, como las bacterias o la superficie del grafito, pueden verse a través de microscopios tradicionales, los sujetos fundamentales de la química existen a una escala mucho menor.
Microscópico visible: Entidades como virus o células que requieren aumento para ser observadas.
Submicroscópico: La mayoría de las entidades químicas —incluidos átomos, moléculas, iones y partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones)— son demasiado pequeñas para ser vistas incluso con microscopios estándar.
Este dominio se centra en las interacciones discretas que impulsan los cambios observables, tales como la disposición de los átomos metálicos individuales en un cable, la estructura cristalina de los iones de sal, o la ruptura y formación de enlaces químicos que resultan en la evolución del calor o cambios de color.
El dominio simbólico:
El dominio simbólico contiene el lenguaje especializado utilizado para representar los componentes de los dominios macroscópico y microscópico. Los símbolos químicos (como los utilizados en la tabla periódica), las fórmulas químicas y las ecuaciones químicas forman parte del dominio simbólico, al igual que los gráficos y dibujos. También podemos considerar los cálculos como parte del dominio simbólico.
Estos símbolos desempeñan un papel importante en la química porque ayudan a interpretar el comportamiento del dominio macroscópico en términos de los componentes del dominio microscópico. Uno de los retos para los estudiantes de química es reconocer que los mismos símbolos pueden representar cosas diferentes en los dominios macroscópico y microscópico. Una de las características que hacen que la química sea fascinante es el uso de un dominio que debe ser imaginado para explicar el comportamiento en un dominio que puede ser observado.
Una forma útil de entender los tres dominios es a través de la sustancia esencial y ubicua del agua.
Dominio macroscópico: Las observaciones de que el agua es un líquido a temperaturas moderadas, se congela en un sólido a temperaturas más bajas y hierve en un gas a temperaturas más altas son macroscópicas.
Dominio microscópico: Algunas propiedades del agua caen en el dominio microscópico, aquello que no puede observarse a simple vista. Esto incluye la descripción del agua como compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, así como la explicación de la congelación y la ebullición en términos de las atracciones entre estas moléculas.
Dominio simbólico: La fórmula H2O, que puede describir el agua tanto a nivel macroscópico como microscópico, es un ejemplo del dominio simbólico. Las abreviaturas (g) para gas, (s) para sólido y (l) para líquido también son simbólicas.
La fórmula H2O simboliza: el agua, y (g), (s) y (l) simbolizan sus fases.
El agua en fase gaseosa
El agua en fase líquida
El hielo es una fase sólida del agua
