QUIMICA I

FASCICULO 1 LA QUIMICA COMO CIENCIA

La Qumica es una ciencia muy antigua, ya que desde sus orgenes el ser humano ha tenido contacto con fenmenos qumicos tales como la descomposicin de alimentos (carne o frutas).A partir de esta poca, el ser humano se ha visto, constantemente, en la necesidad de querer comprender y explicar cada uno de los fenmenos que se presentan a travs de su historia.

Por tal motivo, este fascculo tiene como objetivo que identifiques las caractersticas de la Qumica y su objeto de estudio; esto a partir del uso de un lenguaje qumico, el empleo de carcter cuantitativo y la aplicacin de diversos experimentos; lo cual te posibilitar contar con una visin ms amplia sobre la Qumica y, as, poder contar con antecedentes que te permitan iniciar el estudio de los diferentes estados de agregacin de la materia.

En este sentido, el material estar conformado por tres temas:

En el tema uno, que tiene como nombre CARACTERSTICAS DE LA QUMICA, se hace un recorrido general sobre la historia de la Qumica en el mundo y en Mxico, posteriormente, abordaremos los aspectos ms importantes para entender la Qumica, tales como el lenguaje qumico (en donde se contemplan conceptos, smbolos de los elementos, nombres y frmulas de algunos compuestos, etctera); el mtodo cientfico aplicado en la Qumica (con cada uno de sus elementos); y la importancia que tiene el uso de la medicin o cuantificacin para la Qumica as como la relacin de esta con otras ciencias como: Biologa, Fsica, Ecologa, etc.

El tema dos, titulado OBJETO DE ESTUDIO DE LA QUMICA, se refiere a los subtemas de: la materia y sus estados de agregacin molecular (slido, lquido y gaseoso), as como a sus propiedades fsicas y qumicas; la energa, la cual se define y explica de manera sencilla, adems de que se describen las diferentes formas de generar energa y sus principales aplicaciones. Por ltimo mencionaremos sobre los cambios que se efectan al interaccionar la energa con la materia.

Dentro del tema tres, cuyo nombre es PROPIEDADES DE LA MATERIA Y SU MEDICIN, se contemplan las unidades de medicin que existen en el Sistema Internacional de Unidades, tales como: longitud, masa,

cantidad de sustancia, temperatura, entre otros. El segundo subtema estar enfocado al empleo del mol, que es la unidad de medida fundamental para la qumica. En tanto que en el ltimo subtema se llevar a cabo la cuantificacin de algunas propiedades de la materia, para lo cual se retomarn algunas unidades del Sistema Internacional.

Es importante que tomes en cuenta que este es un ambiente virtual de aprendizaje, por lo que la presentacin de los contenidos requiere una forma diferente de manejarlos. Esta presentacin tiene una estructura que busca asimiles conocimientos significativos. Por tal motivo, dentro de la estructura del material encontrars apartados que tienen como objetivo que ejercites, refuerces y retro alimentes lo aprendido; no dejes de hacer todas las actividades sugeridas, ya que estas contribuirn en el aprendizaje de toda la asignatura.

1.1 QUMICA

Es probable que los estudios que has tenido hasta ahora de Qumica te hagan pensar que se trata de una ciencia difcil y aburrida. Ciertamente, los conocimientos que la forman son el resultado de las aportaciones de muchos cientficos prominentes, y para comprenderlos a profundidad se requiere de gran preparacin. En este tema vamos a iniciar su estudio empezando con los conceptos bsicos, as como la relacin de esta ciencia con nuestra vida diaria con relacin a productos que a diario usamos o con los cuales nos involucramos da a da tomando en cuenta tu propia experiencia, de tal manera que te resulte fcil y divertido.

En la Qumica se encuentran los conocimientos que permiten al hombre obtener decenas de miles de productos nuevos, a partir de las materias primas existentes en la naturaleza, para la creacin de nuevos productos como medicamentos, telas, alimentos, aditivos en diversas industrias etc.

1.2 LA QUMICA A TRAVS DE LA HISTORIA

El hombre ha adquirido un gran poder con el desarrollo de la ciencia, en la que se incluye la Qumica, que es producto de siglos de estudio sobre la composicin y la transformacin de las sustancias y sobre su posible utilizacin para mejorar nuestra calidad de vida.

La Qumica y la prehistoria.

Los primeros hombres que poblaron la Tierra tomaron los objetos de la naturaleza tal como los encontraban: la rama de un rbol como un garrote, una piedra como un proyectil, los frutos de los rboles para mitigar su hambre, etctera.

Con el paso del tiempo, los hombres empezaron a transformar la naturaleza Primero aprendieron a tallar las piedras, dndoles un borde cortante y una forma que permitiera sujetarlas fcilmente. El siguiente paso consisti en unir la piedra a un trozo de madera. Pero la piedra segua siendo piedra y la madera segua siendo madera.

En ocasiones en la naturaleza ocurran cambios muy rpidos. Un rayo poda incendiar un bosque y reducirlo a cenizas, la carne se descompona y ola mal, y el jugo de las frutas poda agriarse con el tiempo, o convertirse en una bebida estimulante; estos cambios que sufra la materia alteraban su estructura fundamental; dicho en otras palabras, ocurra un cambio qumico.

Una de las primeras reacciones qumicas llevadas a cabo voluntariamente por el hombre ocurri probablemente cuando fue capaz de producir y mantener el fuego, esto implic que tuviera que secar la madera, reducir una parte a pequeas porciones para facilitar su encendido y emplear algn mtodo como el frotamiento para alcanzar el punto de ignicin.

Posteriormente descubri que el calor generado por el fuego produca alteraciones en los alimentos cambiando su color, textura y sabor; lo que hoy se conoce como coccin de los alimentos. Avanzando a tientas, el hombre fue adquiriendo paulatinamente conocimiento qumicos. En ocasiones era gracias a la casualidad, pero principalmente fue la necesidad de elaborar los materiales y alimentos para satisfacer sus necesidades la que lo gui en este largo aprendizaje.

La Qumica en la poca de los Egipcios.

Algunos milenios antes de nuestra era, los egipcios dominaban tcnicas de metalurgia para producir bronce, as como de fermentacin para el vino, cerveza y pan. Disponan de empresas prsperas que fabricaban diversos productos como: tintes, medicamentos, jabones, perfumes, vidrio, etctera. Todas estas

actividades involucraban procesos qumicos, aunque, hablando con propiedad, la Qumica an no haba nacido.

Segn algunos autores, la palabra Khemeia deriva del nombre que los egipcios daban a su pas Kham, por lo que se puede traducir como el arte egipcio. Otros sealan que Khemeia proviene del griego Khumos, que significa el jugo de una planta de tal manera que se podra traducir como el arte de extraer jugos. Pero sea el origen que fuere, la palabra Khemeia es el antecedente del vocablo qumico.

La Qumica en la poca de los Griegos.

Hacia el ao 600 a. de C., los griegos sintieron la necesidad de comprender y explicar los fenmenos que les revelaba la prctica de las artes qumicas. Fueron los filsofos y no los artesanos quienes elaboraron las primeras teoras sobre la materia. Por esa poca, los griegos crean que todos los cuerpos derivaban de las propiedades de aire, tierra, agua y fuego. A stos se aada, segn algunos, un elemento inmaterial, que al unirse a uno de los cuatro elementos anteriores lo transformaba en otro.

Hasta este momento qu importancia ha tenido la Qumica para el ser humano?.

La Qumica en la edad media.

La Edad Media hered estos conocimientos e hiptesis de la antigedad y algunos hombres buscaron en vano dos sustancias de propiedades maravillosas: la panacea, o elixir de larga vida, y la piedra filosofal; esta misteriosa materia, al fundirla con un metal como hierro o plomo, deba transformarlo en oro. El estudio de estas transformaciones fue llamada por los rabes al-Kemiya. Esta palabra se adopt en Europa como alquimia y los que trabajaban este campo eran llamados alquimistas. La prctica de las transformaciones condujo a muchos fracasos, pero las innumerables experiencias de los alquimistas permitieron el descubrimiento de algunas sustancias y mezclas cidas, como el agua regia. Asimismo, tales experiencias permitieron ensayar un conjunto de aparatos y tcnicas experimentales que en tiempos posteriores seran de gran valor en las investigaciones.

La Qumica en la edad moderna.

En la Edad Moderna las concepciones tradicionales adquirieron un nuevo enfoque bajo el mtodo experimental, y las investigaciones de los qumicos ampliaron la gama de sustancias conocidas.El qumico irlands Robert Boyle asesta en el siglo XVII el primer golpe a la teora griega sobre los cuatro elementos, ya que sealan al elemento como una sustancia que no es posible descomponer en otra ms simple y que stos son mucho ms de cuatro.

En aquella poca, uno de los grandes enigmas de la qumica provena del fenmeno de la combustin. Lavoisier, un cientfico francs, propuso una explicacin simple de la combustin, sealando que todo cuerpo al arder fija oxgeno tomndolo del aire. Adems al emplear sistemticamente la balanza, estableci que, en una reaccin qumica que ocurre en un sistema cerrado, la masa total de los cuerpos que intervienen en la reaccin es idntica a la masa de los cuerpos formados

[1]. Con Lavoisier, la Qumica entra

en una nueva era: la de la medida y de la precisin, por lo que se le considera como el padre de la Qumica.

La Qumica en Mxico antes de la conquista.

En Mxico la Qumica ha tenido su propio desarrollo, aunque de una forma ms lenta. Los pobladores del Valle de Mxico saban aprovechar las sales alcalinas, las cuales se formaban como costras en la tierra en tiempo de sequas. Estas sales recibieron el nombre de tequixquitl o tequesquite. La tierra de Texcoco contena una gran cantidad de sales, principalmente carbonato de sodio (Na2CO3) y cloruro de sodio (NaCl). El tequesquite se empleaba para facilitar la coccin de los alimentos, adems de servir como condimento. Tambin se utiliz como detergente alcalinizante.

La sal comn (cloruro de sodio) era muy apreciada por los antiguos mexicanos. Entre otras sales, conocieron tambin el alumbre, la mica, el yeso y la calcita, con la que fabricaron colorantes. Trabajaron piedras preciosas como turquesa, jade, azabache, ojo de gato, rub y mbar. Los dignatarios utilizaron adornos de fluorita (floruro de calcio), un mineral del que Mxico sigue siendo el primer productor mundial. Otro material utilizado fue el cuarzo (cristal de roca).La cermica era comparable con la que haba en Espaa. Utilizaban minerales para la fabricacin de colores para pintura, especialmente los xidos de hierro, el negro de humo y las arcillas mineralizadas; obtenan el color rojo de un insecto llamado cochinilla (nocheztli) o sangre de tunas, el cual fue exportado a todo el mundo por los espaoles. El barro y el adobe se emplearon en las edificaciones. Los aztecas obtenan una especie de cemento al mezclar la cal con una arcilla negra; tambin producan varios tipos de tejidos, entre los que se encuentran el de hequen (henequn), fabricado con fibras de magueyes, agaves y el algodn blanco. Hacan papel con la corteza de amatl (amate). Utilizaban azcar al evaporar el aguamiel y fabricaban pulque por medio de la fermentacin.Los aztecas conocan los metales: oro, plata, cobre, estao, mercurio, plomo, y probablemente el hierro. Desarrollaron la herbolaria para tratar sus males.

Sabas que la herbolaria o medicina tradicional est resurgiendo? Cules consideras que sean las causas?

La Qumica en Mxico despus de la conquista.

Despus de la conquista se origin la primera industria en Pachuca, en 1555, para la extraccin de plata por amalgamacin con mercurio, un proceso descubierto en Mxico por Bartolom de Medina y que ahorraba gran cantidad de energa respecto a otros procesos empleados en todo el mundo en esa poca. En 1782 Fausto de Elhyar, luego fundador del Real Seminario de Minera en Mxico, descubri en Espaa un nuevo elemento, el wolframio, al que se denomin tugsteno, y en 1802,Andrs Manuel del Ro descubri en Mxico otro nuevo elemento al que llam eritronio, el cual fue posteriormente redescubierto y llamado vanadio.

La Qumica en Mxico dentro del siglo XX.

En 1916 se cre en Mxico la Escuela Nacional de Qumica Industrial y se incorpor al ao siguiente a la UNAM. Veinte aos despus se fund el Instituto Politcnico Nacional y en ambas escuelas se ha formado a la mayora de los profesionales qumicos que hacen posible el desarrollo industrial del pas.

En 1938, con la nacionalizacin del petrleo, las compaas extranjeras se negaron a vender tetraetilo de plomo (antidetonante de la gasolina) a Mxico, cuestin que superaron los qumicos mexicanos produciendo esta sustancia en una planta ubicada donde actualmente se encuentra el Instituto Mexicano del Petrleo (IMP).

En los aos cuarentas se inicio la industria qumica en Mxico con el establecimiento de fbricas como Sosa Texcoco y Celanese Mexicana. En 1941 se fundaron los laboratorios Syntex para la produccin de hormonas esteroidales como la progesterona (y posteriormente la cortisona, un potente anti inflamatorio), cuyo costo en el mercado internacional era de 200 dlares el gramo y, gracias a los trabajos desarrollados en Mxico, se redujo a slo 2 dlares. Este trabajo desarrollado en Mxico desemboc en el hallazgo de la pldora anticonceptiva, utilizada hoy por millones de mujeres en el mundo para controlar y planear la natalidad.

De 1950 a la fecha el nmero de industrias ha crecido, en especial la de productos qumicos bsicos y la petroqumica. Se producen tambin las materias primas para otras industrias, incrementndose la produccin de sustancias qumicas intermedias y de consumo final, lo que ha ocasionado que, en la actualidad, la industria qumica sea una de las ms importantes para la economa del pas.

[1] Actualmente a este enunciado de Lavoisier se le conoce como ley de la conservacin de la masa.

1.3 VIDA COTIDIANA

La Qumica se dirigi durante mucho tiempo al quehacer de una minora de investigadores, los cuales tenan como objetivo final analizar las sustancias y estudiar sus propiedades. Pero desde que la investigacin se ha orientado a la creacin de nuevos productos, a menudo irremplazables, la Qumica ha adquirido una dimensin completamente distinta, pues interviene en todas las fases de nuestra vida cotidiana: en los mbitos de higiene, alimentacin, sanidad, vestido, entre otros.

Te has puesto a observar la cantidad de productos qumicos que hay en tu hogar y los cambios que stos sufren al ser usados?

Por ejemplo, en el caso de una caja de cerillos.

Qu implica que frotes el cerillo con el revestimiento de la caja para iniciar el fuego? Te imaginas lo que deban hacer nuestros antepasados para obtener fuego?

Alguna vez, a una persona se le ocurri que deba de haber otra forma de producir fuego; despus, con la aplicacin de conocimientos y el trabajo de otras mentes, se originaron los cerillos, los cuales se producen actualmente en tal cantidad y con un costo tan bajo que no tomamos en cuenta lo que sto ha significado en la historia de la humanidad.

Como este caso de los cerillos, existen otros productos que por su fcil obtencin dejamos de lado el esfuerzo, los conocimientos y los procesos que han significado, para que, finalmente, formen parte de nuestra vida.

Seguramente por la maana, al levantarte, de las primeras cosas que hiciste fue asearte, para lo cual utilizaste un jabn. La fecha exacta de cundo se fabric jabn por primera vez no se conoce; pero una leyenda seala que alrededor del ao 1000 a. de C. en una colina cercana a Roma, llamada Sapo, la gente ofreca animales incinerados como sacrificio a sus dioses. La grasa de estos animales caa a travs de las cenizas de la madera y esto era arrastrado al Ro Tiber, contaminndolo; alguna persona observadora not que est agua contaminada tena un poder limpiador notable. Posteriormente se descubri que el producto de la reaccin de la grasa de los animales con el lcali de las cenizas llamado saponificacin era el causante de este fenmeno. As fue el origen de este producto, insustituible en nuestros hogares.

Adems de jabn, usas a diario en tu aseo otros productos como son: shampoo, desodorante, locin, aerosol fijador para el cabello, cremas, pintura de labios, espuma de afeitar, etctera. Hay muchos otros

artculos de limpieza en el hogar, adems de los que usas para baarte y aqullos para lavar ropa, en los cuales se utilizan productos especiales. Los limpiadores de cocina y vidrios, desmanchadores, destapa caos, blanqueadores de ropa, y suavizantes de tela son algunos ejemplos. Todos estos productos son elaborados por procesos qumicos y la accin de lavar, desmanchar, suavizar, disolver, etctera, son reacciones qumicas.

Qu podremos decir de los alimentos? Las galletas tienen como ingredientes: harina de trigo, azcar, manteca vegetal comestible, huevo, leche descremada en polvo, sal yodatada, lecitina de soya, saborizantes y colorantes artificiales y 0.01% de antioxidante. Probablemente algunos de estos ingredientes te sean familiares. Varias sustancias de las que se en listan son aditivos alimenticios, compuestos qumicos que se aaden a los alimentos para evitar o retrasar la descomposicin, o bien para mejorar o aumentar el sabor, la textura, la calidad nutritiva que se incorporan a los alimentos como resultado de algn aspecto de la produccin, procesamiento, empaque o almacenamiento.

No cabe duda que podras tener una mejor nutricin si slo ingirieras comida fresca, pero si vives en una ciudad, esto puede ser muy difcil, es por eso que has tenido que consumir alimentos procesados.Es cierto que existen algunos riesgos asociados al uso de algunos aditivos alimenticios, pero sera difcil dejar de usarlos, ya que la descomposicin de los alimentos traera como consecuencia una disminucin drstica en su oferta en el mundo, acrecentando el ya grave problema del hambre ocasionada por deficiencias de vitamina y minerales. Es por esto que los aditivos alimenticios son una parte necesaria de nuestra sociedad moderna, pero deben ser usados con moderacin y, sobre todo, informarnos sobre las consecuencias que puedan tener en nuestra salud y bienestar.Con la idea de obtener cada da mejores maneras de satisfacer las necesidades con el menor esfuerzo, el ser humano ha creado una serie de industrias y productos que, a la larga, han producido algo nocivo para l mismo: la contaminacin.

El caso de la contaminacin del aire, por ejemplo se debe a la gran cantidad de desechos que el hombre ha arrojado como producto de la tecnologa. Los principales contaminantes del aire son:dixido de azufre (SO2), que provienen principalmente de la quema de combustibles sin refinar (diesel) y de la fabricacin de cido sulfrico (H2SO4), entre otros; xidos de nitrgeno (NO2), producto de los motores de vehculos; xidos de carbono (CO) emitidos por los motores no afinados y que al ser respirado afectan directamente a la conduccin de oxgeno en la sangre; los hidrocarburos (formados por carbono e hidrgeno) en su mayora provienen de la evaporacin de las gasolinas y son cancergenos; el plomo (Pb), cuya existencia se debe a un aditivo para elevar el octanaje de las gasolinas y puede entrar directamente en la piel afectando el sistema nervioso; el ozono (O3) proviene de motores elctricos; adems, partculas de polvo que se introducen en las fosas nasales y causan enfermedades respiratorias.

Como ves, la contaminacin es un proceso qumico que est presente en la vida cotidiana y que afecta a todos los que la respiramos. La Qumica nos ayudar a eliminarla y controlarla.

1.4 LENGUAJE QUMICO

Cuando el hombre encuentra vestigios de una antigua civilizacin, es importante descifrar su lenguaje. El modo de comunicarse de un pueblo nos advierte de su esencia, lo que hacan, lo que pensaban. Se dice que conocer el nombre de las cosas, es conocer las cosas mismas.

Todos conocemos la importancia del lenguaje para comunicarnos. Entender lo que dicen las dems personas es posible slo si tenemos un lenguaje comn. Si asistimos a un partido de ftbol necesitamos conocer el significado de trminos como: fuera de lugar, amonestacin, falta dentro del rea chica, tiro de esquina, portero, etctera, que si bien pueden tener cierto significado en el lenguaje cotidiano, adquieren uno nuevo dentro del contexto futbolstico

Todo lenguaje est lleno de nombres que denominan objetos, procesos, fenmenos, teoras, postulados, etctera. La qumica tiene tambin un lenguaje propio.

En estudios anteriores tuviste un primer acercamiento con el lenguaje de nuestra disciplina, y, as, nuevamente entraremos en l, ya que aprendiendo a usarlo estaremos en posibilidad de comprender la complejidad de las modernas explicaciones de la estructura de la materia, de los modelos atmicos y sus aplicaciones en los diversos campos de la ciencia y la tecnologa.

Entendemos como lenguaje qumico todos aquellos trminos que nos permiten acercarnos a la explicacin de la estructura y cambios de la materia. Fundamentalmente se incluyen: conceptos, nombres y smbolos de los elementos, nombres, frmulas de los compuestos, reacciones qumicas y sus ecuaciones.

Conceptos Qumicos empleados en el lenguaje comn.

Hablaremos primero de los conceptos. En Qumica empleamos algunas palabras que son de uso comn, pero que adquieren un nuevo significado en nuestro contexto. La palabra materia, por ejemplo, se asocia comnmente al estado slido de la misma, mientras que en Qumica incluye los estados slido, lquido y gaseoso, se define como aquello que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio. Otro ejemplo es la sal, que comnmente es un condimento en los alimentos y en nuestro contexto es lasustancia producida en la reaccin entre cido y una base, y qu decir del significado de mezcla y gas, o todo lo que qumicamente encierra el trmino metal, y lo inusual de utilizar otro trmino igualmente importante: no metal. Aun adentrndonos en el mundo de la estructura de la materia, muchos trminos se han filtrado al lenguaje comn: tomo, elemento, rbita y otros ms que nos ayudan a entender nuestro mundo. Sin embargo, lo que ms le interesa a la Qumica es entender el significado que tiene cada uno de ellos.

a) Conceptos qumicos nuevos

Existen tambin algunos trminos que sern nuevos para ti, ya que no se utilizan en el lenguaje comn. Habr que familiarizarse con ellos e incluirlos en ejemplos cotidianos para aprender a utilizarlos. As, por ejemplo, llamaremos tensin superficial a la propiedad que tiene el agua por la cual los mosquitos no se hunden al posarse sobre ella y presin de vapor a otra propiedad por la que se evapora antes de la ebullicin.

Por ltimo, hay una serie de conceptos abstractos (leyes, teoras, modelos, etctera) que rebasan la experiencia cotidiana. stos son una nueva manera de conocer los fenmenos, complementando la explicacin del sentido comn. Para entender, por ejemplo, las diferencias entre un gas, un lquido y un slido, recurriremos al modelo cintico molecular, que explica el comportamiento de las partculas en cada estado de agregacin. (slido, lquido y gaseoso).

b) Los smbolos de los elementos

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

Actualmente existen ms 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 est llena de historias interesantes.

En el siglo XV los elementos ya descubiertos se reducan a trece: oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), hierro (Fe), estao (Sn), plomo (Pb), mercurio (Hg), carbono (C), azufre (S), arsnico (As), antimonio (Sb), bismuto (Bi) y zinc (Zn), y en los ltimos 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 oxgeno primero fue llamado aire de fuego y el cloro, que debe su nombre a su color, fue llamado cido marino desflogistizado por su descubridor. El qumico JnsJacob Berzelius (1779-1848) fue quien estableci el sistema para simbolizar los elementos como los conocemos actualmente. Los nombres de los elementos ms importantes, sus smbolos correspondientes y sus caractersticas hay que aprenderlos, pues son las vocales de nuestro alfabeto qumico y nos sirven para identificar a todas las sustancias.

Los objetos que nos rodean estn formados por sustancias, las cuales se componen, por lo general, de ms de un elemento. Muchas de stas, como ya habamos mencionado, tienen nombres comunes. Si tuviramos que aprendernos tanto nombres comunes como compuestos existen, estaramos hablando de cientos de miles de palabras; por esta razn, los qumicos han establecido un sistema para nombrar los compuestos, como se muestra en el siguiente cuadro.

Nombre Comn Frmula Nombre Qumico

Cal viva CaO xido 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 xido de nitrgeno (IV)

Leche de magnesia Mg(OH)2 Hidrxido de magnesio

cido muritico HCI Cloruro de hidrgeno

Pirita (oro de tontos) FeS Disulfuro de hierro (II)

Sal NaCl Cloruro de sodio

Sal de amoniaco NH4CI Cloruro de amonio

Lavoisier estableci una manera de sustituir el fantasioso lenguaje de los alquimistas, al llamar cloruro de sodio a un compuesto de cloro y sodio (sal comn, NaCl); al gas formado por hidrgeno y azufre lo llam sulfuro de hidrgeno (H2S). Cuando varios compuestos se formaban por los mismos elementos, pero en distinta proporcin, les dio nombres relacionados, por ejemplo, los cuatro cidos compuestos de hidrgeno, cloro y oxgeno los llam: cido hipocloroso, cido cloroso, cido clrico y cido perclrico, de acuerdo con su creciente contenido de oxgeno, y cuando se sustitua el hidrgeno por sodio los llam hipoclorito sdico, clorito sdico, clorato sdico y perclorato sdico.

Frmula Nombre Frmula Nombre

HCIO cido hipocloroso NaClO hipoclorito sdico

HCIO2 cido cloroso NaCIO2 clorito sdico

HCIO3 cido clrico NaCIO3 clorato sdico

HCIO4 cido perclrico NaCIO4 perclorato sdico

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

De este modo Lavoisier uniform la catica nomenclatura qumica de la poca, transformndola en otra perfectamente lgica. Sin embargo, esta nomenclatura no es la que actualmente se considera como oficial y que estudiars ms adelante en este curso.

El sistema para nombrar los compuestos se estableci en el Congreso de la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) en 1940 y la ltima publicacin de este sistema fue en 1989. Aunque existen otros sistemas de nomenclatura, ste es el reconocido oficialmente y el que usaremos en nuestros cursos. Slo la prctica generar el dominio de este lenguaje; por ello, nos referiremos a los nombres qumicos y frmulas de los compuestos constantemente en el desarrollo de todos los contenidos.

La composicin de las sustancias es un concepto importante en Qumica; pero conocer sus componentes no es suficiente para producirlas. En cada caso, la clave de su produccin est en la cuantificacin de sus ingredientes (por ello las empresas guardan en secreto esta composicin). Pequeas desviaciones en las dosis de ingredientes da por resultado productos con caractersticas diferentes. La frmula de un compuesto indica la cantidad exacta de partculas de cada elemento que intervienen. As H2O, la frmula del agua, nos indica que est formada por 2 partculas de hidrgeno y 1 de oxgeno, H2O2, el agua oxigenada, est formada por 2 partculas de hidrgeno y 2 de oxgeno. Diferentes frmulas o diferentes combinaciones de elementos dan por resultado diferentes productos. Ms que aprenderse las frmulas, lo que tenemos que hacer es aprender a interpretarlas.

Finalmente, vamos a hablar de otros aspectos importantes del lenguaje: las ecuaciones qumicas. Una ecuacin es la representacin simblica de una reaccin o cambio qumico. Hoy en da se realiza mucho esfuerzo en expresar la informacin en forma concisa y til. En Qumica 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 ecuacin nos da informacin sobre las sustancias que intervienen en una reaccin y puede predecir los productos que se van a obtener.

As, por ejemplo, la reaccin que ocurre entre el magnesio y el oxgeno del aire, al encenderse el flash en una fotografa, se representa con la siguiente ecuacin:

Magnesio + Oxgeno = xido de magnesio

Otro ejemplo es la reaccin efectuada al gasificar un refresco embotellado que se representa con la siguiente ecuacin:

cido carbnico = agua + dixido de carbono

1.5 CARCTER CUANTITATIVO DE LA QUMICA

Al hablar de las caractersticas del estudio de la Qumica, hemos mencionado como sus tres pilares el lenguaje, el uso de sntesis y anlisis, y la cuantificacin, o sea el uso de mediciones y clculos.

En esta seccin, vas a aprender acerca del papel de las cuantificaciones que se hacen en la Qumica, pero adems trataremos de conjuntar los conocimientos que se han planteado hasta aqu para que logres un aprendizaje integrado.

Cuando se estudian los fenmenos naturales, sean stos de cualquier tipo (fsicos, qumicos o nucleares); el primer paso para su estudio es la observacin. Esta percepcin de los fenmenos es nuestro nico contacto con el mundo fsico y son nuestros sentidos los que se encargan de comunicarnos la forma en que est sucediendo el fenmeno. Los datos experimentales que obtenemos provienen de sucesos observables y son mejores o peores en la medida que lo sean los mtodos de deteccin. El hombre ha aprendido por medio de sus experiencias que sus sentidos estn limitados para percibir los fenmenos y ha inventado una gran cantidad de instrumentos para facilitar sus observaciones, tales como el microscopio, el telescopio, la balanza, el potencimetro y el espectrofotmetro, entre otros.Sin embargo, no existe una distincin especial entre las observaciones obtenidas por los sentidos y las alcanzadas por medio de instrumentos, salvo en la precisin proporcionada por los equipos ya que, en principio, la utilizacin de stos no afecta la realidad de la observacin.

La mayor parte de las veces la finalidad de la observacin es obtener una medida cuantitativa de los fenmenos; es decir, una relacin que indique la magnitud del suceso que se est observando. Generalmente dicha magnitud se expresa con un nmero 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.

POR QU ES NECESARIA LA CUANTIFICACIN?

En la vida diaria la cuantificacin es esencial para muchas de las situaciones cotidianas; cuando nos transportamos en un vehculo pblico, pagamos una cantidad especfica. No slo es importante el acto de pagar (cualitativo), sino cubrir el precio adecuado (cuantitativo) del viaje. Al ingerir nuestros alimentos,

no es lo mismo, nutricionalmente hablando, el comer una tortilla que un plato adecuadamente preparado, de tal manera que se cubran los requerimientos necesarios para el organismo (cuantitativo). La cuantificacin es algo inherente y necesario para la vida humana.

Consideras que las calificaciones de un examen son de carcter cualitativo?

En el caso especfico de la Qumica la cuantificacin es fundamental y ha permitido elevar esta disciplina a la categora de ciencia, adems de posibilitar la prediccin de los fenmenos de importancia en diferentes niveles, desde el mbito cotidiano hasta el industrial.

Existe un sinnmero de ejemplos de los que un qumico puede cuantificar, los cuales son comunes en nuestra vida. Para que lo entiendas, y refirindonos nuevamente a la contaminacin del aire, existe la necesidad imperiosa de cuantificar dichos contaminantes, ya que en pequeas cantidades puede ser inofensivo, pero a elevadas concentraciones son altamente perjudiciales para la mayora de los seres vivos; actualmente en la Ciudad de Mxico, y en muchas otras ciudades del mundo, se lleva a cabo un registro cuantitativo de todos los contaminantes (IMECA, en nuestro caso)

[1] con el fin de tomar las medidas

necesarias de proteccin al ambiente y, por tanto, de los seres vivos.

En cuanto a los medicamentos, es comn que un mdico recete a sus pacientes una determinada dosis. Esta dosis no es otra cosa que una medida de la cantidad que el paciente debe recibir de dicha medicina, ya que no es la misma cantidad que puede consumir un beb a la que puede utilizar un adulto. Generalmente la dosis depende de la edad, peso corporal y capacidad del paciente para metabolizar el medicamento, de tal manera que cuantitativamente existe una dosis mnima, por debajo de la cual no tendra efecto el medicamento, y una dosis mxima, que al ser rebasada puede resultar txica o incluso letal para el organismo.

Cuando una persona ingiere una bebida alcohlica, existe una diferencia cuantitativa entre mantenerse sobrio, estar alegre, o llegar hasta un estado evidente de embriaguez, donde sus sentidos y sus capacidades estn totalmente limitados, de forma que cuantificando la concentracin de alcohol en la sangre se puede predecir el comportamiento de un individuo dependiendo de su edad, sexo, peso corporal, costumbre a las bebidas alcohlicas y algunas otras variables.

Muchas enfermedades pueden ser evitadas o controladas gracias a la cuantificacin. La hemoglobina es una protena que contiene hierro (Fe) que transporta el oxgeno de los pulmones a las clulas. Si la cantidad de hierro es deficiente, la hemoglobina no se forma, causando lo que se conoce como anemia.

La diabetes es una enfermedad que se presenta por niveles altos de glucosa en la sangre. Mediante la cuantificacin continua de dichos niveles y analizando las caractersticas del paciente, puede elegirse el tratamiento adecuado para controlar el padecimiento.

En la industria metalrgica se analizan y cuantifican las proporciones adecuadas de los componentes de una aleacin, porque, de no hacerse rutinariamente, la calidad disminuye y pueden generarse productos que sean muy sensibles a la corrosin y que tengan muy poca resistencia.En conjunto, podemos decir que en cualquier tipo de industria es necesario cuantificar diferentes variables mantener la calidad de los productos que llegan a los compradores, y esa cuantificacin en la industria es lo que se conoce como control de calidad.

a) La medicin y los grandes qumicos.

En la historia de la Qumica se han realizado intentos para lograr la cuantificacin de los fenmenos, pero durante mucho tiempo se emplearon mtodos que, lejos de aclarar la forma en que se llevaban a cabo los fenmenos qumicos, aumentaban la confusin al respecto.

Robert Boyle, en su obra El qumico escptico, recomendaba tener ms cuidado en el registro de las observaciones en los experimentos con el fin de obtener resultados adecuados. En el siglo XVII, Lavoisier, tomando en cuenta muchas de las aseveraciones que existan en su tiempo, comenz por rehacer algunos de los experimentos de su poca, con el cuidado de cuantificar cuidadosamente los resultados obtenidos en cada uno de los suyos. Fue tan grande y fuerte la influencia de los experimentos de Lavoisier, que a partir de ellos desech la teora del flogisto, que propona que las sustancias capaces de arder lo eran por contener un supuesto principio de combustin al que se le denomin flogisto, concepto errneo que se haba mantenido durante ms de un siglo.

Con la aparicin de Tratado elemental de Qumica en 1789, Lavoisier, como se mencion anteriormente, convierte a la Qumica en una ciencia cuantitativa y, adems, establece los primeros listados de las sustancias elementales o elementos.En otro curso de Qumica, veremos el tema de Estequiometra que nos ayuda a definir cmo estn compuestas las molculas, qu proporcin contienen de cada elemento y cuantitativamente cmo se van a formar los productos de una reaccin. Asimismo, trataremos de entender cmo son los cambios energticos producidos en una reaccin qumica y cules son sus aplicaciones, todo sto tambin en una forma cuantitativa. En ambos casos, para realizar los clculos, usaremos las ecuaciones qumicas.Para terminar con este tema se puede decir que las aportaciones de Boyle, Lavoisier, Berzelius y muchos otros investigadores, anteriores y posteriores a ellos, hicieron de la Qumica una ciencia 100% cuantitativa y que gracias a ello tiene un lugar destacado en todos los pases del mundo en el mbito econmico, social y poltico, porque esta posibilidad de cuantificar los fenmenos qumicos permite su predictibilidad y facilita el control de las variables para mejorar la produccin de bienes para la humanidad.

1.6 EL MTODO DE LA QUMICA

El hombre, para poder transformar la realidad, necesita descubrir cmo funciona. No cabe duda que el investigador se ve obligado a elaborar y reelaborar su propio mtodo de trabajo para llegar a desentraar los secretos de la naturaleza. El mtodo es el conjunto de procedimientos para la realizacin de un fin; ste se deriva de la experiencia misma, y son los resultados obtenidos los que indican si es o no el adecuado. El mtodo particular de las ciencias naturales es el mtodo experimental , el cual no es una receta que al seguirse paso a paso resolver automticamente los problemas.

1.6.1 EL MTODO CIENTFICO EN LA QUMICA

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

Primer Paso

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

Louis Pasteur acept y lo acompa a la destilera, olfate las cubas que no daban alcohol, tom 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 fermentacin. Volvi al laboratorio, se rasc la cabeza y decidi examinar las sustancias llevadas. Puso una gota del producto bajo el microscopio y vio que estaba llena de diminutos glbulos mucho ms pequeos que cualquier cristal conocido, de un color amarillento, y en cuyo interior haba enjambres de curiosos puntos en continuo movimiento. Intrigado se pregunt: Qu tendrn las cubas enfermas?. Qu ser esto?. Pero si aqu no hay fermentos!. Dnde podran estar?. Aqu no hay ms que una masa confusa. Qu querr decir sto?.

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

Cul era el fenmeno que estudiara Pasteur?

La informacin sobre un fenmeno puede ser captada por medio de la observacin directa, como en el caso de Louis Pasteur (sentido de la vista), e indirectamente a travs de los antecedentes legados por los estudios anteriores, es decir, mediante una revisin bibliogrfica.

Segundo paso

En las paredes de este frasco hay motitas grises y otras flotando en la superficie del lquido. Veamos... No, no aparecen en el lquido donde hay fermentos y alcohol. Qu podr ser?.

Con cierta dificultad logr separar una de aquellas motitas, y colocarla en una gota de agua pura, para examinarla bajo el microscopio. En lugar de glbulos de fermentos encontr algo completamente diferente, algo extrao y nunca visto: grandes masas danzantes y enredadas de pequeos bastoncitos, sueltos unos, a la deriva otros, como cadenas de botecillos, agitados por una vibracin incesante y extraa. Qu podr ser esto?.

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

Qu observaras t en el caso anterior para investigar por qu el contenido de las cubas no se comportaba de la misma manera?

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

Pasteur, al estudiar el problema de la fermentacin as como el de los microorganismos presentes en la leche conocido actualmente como Pasteurizacin, se plante varias preguntas y poco a poco enfoc su atencin 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 lquido de las cubas enfermas estn vivos, tal vez compitan con los fermentos, vencindolos. Los bastoncitos son los que impiden la formacin del alcohol, produciendo cido lctico, del mismo modo que las levaduras son el fermento del alcohol! Era una conjetura, pero, en su interior, algo le deca a Louis Pasteur que tena razn. 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 explicacin encaminada a solucionar tentativamente un problema (hasta que se demuestre lo contrario) recibe el nombre de hiptesis, la cual representa una anticipacin a la propia experimentacin.

La hiptesis generalmente se establece al observar con precisin las semejanzas entre diversos fenmenos: conociendo la causa de uno de ellos, se emite la hiptesis, a fin de explicar los otros fenmenos, por la misma causa. Tambin la hiptesis surge como conclusin de razonamientos inductivos o deductivos.

En este sentido, qu importancia tiene establecer una hiptesis?

Cuarto Paso

En esta mezcolanza del lquido de las cubas de fermentacin 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: tendr que idear un medio nutritivo especial para ver si se reproducen, para ver si aparecen miles donde slo exista uno.

Lo siguiente, es probar la hiptesis, para lo cual se disea un experimento que proporcione los datos que ratifiquen o refuten la hiptesis.

La experimentacin es la reproduccin, y por ende a voluntad de un fenmeno para estudiarlo en su desarrollo, estableciendo y controlando deliberadamente los parmetros o variable as como las condiciones ms adecuadas para observar y medir todo lo que genera el fenmeno estudiado.

Si es difcil 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 olvid considerar la temperatura!; no consider la concentracin!; no pens que la esptula se disolviera en el cido!, etctera. No se trata de manejar a la vez todas las variables, porque sera complicado; entre menor sea el nmero de variables que se trabajen, mayor seguridad se tendr en el desarrollo del experimento. Para seleccionar las variables pertinentes de un experimento, se dividirn en dos grandes grupos:

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

Quinto Paso

Tal vez no haya ningn caldo transparente que me permita ver crecer estos bastoncitos, pero me asomar por si acaso. Alz el frasco hacia la luz de gas y murmur: Hay hileras de burbujas que brotan de las motitas grises que deposit ayer; hay muchas motitas nuevas y de todas ellas brotan burbujas. Haba llegado el

momento de despejar la incgnita!. Puso una gota en una placa y la observ a travs del microscopio. Por fin! El lquido estaba plagado de millones de bastoncitos. Se han multiplicado! estn vivos? exclam.

Del experimento se desprenden los resultados, stos pueden ser de dos tipos: numricos y de informacin ocular como cambios de color, formacin de precipitados o cristales, produccin de gases, etctera. 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.

Qu tipo de resultados obtuvo Pasteur? Consideras que a partir de los resultados se puede aceptar o rechazar una hiptesis?.

Sexto Paso

Finalmente, los resultados deben ser sometidos a discusin 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 hiptesis y el problema planteado para contestar si la hiptesis fue cierta o no y si el problema se resolvi o no. Adems se pueden incluir sugerencias que permitan mejorar el experimento, reproducirlo o realizar cualquier situacin que ayude a comprenderlo mejor.

a) La importancia de la observacin cuidadosa

Como has notado, a lo largo del mtodo experimental se presenta una y otra vez la observacin; 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 deba su xito a su habilidad para realizar observaciones crticas, a diferencia del doctor Watson, quien no sabe observar, suscitndose el siguiente dilogo 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 vestbulo a esta habitacin.

-Frecuentemente

-Con qu frecuencia?

-Bien, centenares de veces!

-Entonces, cuntos escalones hay?

-Cuntos? No lo s

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

[1]

Aunque el nmero de escalones no era importante, Holmes mantena siempre activo su poder de observacin.

Te invitamos a que t tambin desarrolles y practiques esta habilidad.

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

b) Anlisis y sntesis en la metodologa

Los qumicos pasan gran parte de su tiempo en el laboratorio, separando e identificando los constituyentes de las sustancias. Divide y vencers, tal puede ser el lema de las primeras generaciones de qumicos que fueron esencialmente analistas, desmenuzadores de la materia. Por medio del anlisis qumico descubrieron muchos de los elementos que existen en la Tierra y tambin pudieron entender qu partes integran los compuestos qumicos, simples o complejos, desde la sal comn hasta las protenas. Gracias al anlisis, los qumicos descifraron la composicin de las rocas y minerales y ayudaron a los geoqumicos a establecer la proporcin de los elementos en la Tierra.

La finalidad de los anlisis realizados diariamente en el laboratorio qumico es de ndole diversa. Puede tratarse del control de un producto acabado o que se encuentra en una fase intermedia de elaboracin, sea cual fuere su naturaleza: medicamento, cemento, metal, etctera. Puede utilizarse tambin para establecer presuntos actos delictivos, mediante el anlisis de las trazas de plvora de un disparo, o en la determinacin de una sustancia txica. Los especialistas y consejeros en agronoma se ocupan del anlisis del suelo, permitiendo fijar el tipo de cultivo al cual se presta mejor y el abono que ms conviene utilizar.

Otra actividad cotidiana de los qumicos es la sntesis de sustancias, que en muchas ocasiones ni siquiera existen en la naturaleza. Muchos de los productos qumicos que nos rodean como los medicamentos, plsticos, colorantes, detergentes, etctera, son productos complejos que el qumico construye partiendo de productos de base simple, como si estuviera jugando con un rompecabezas, alternando las etapas de sntesis y las de purificacin. 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 revisramos las guas farmacuticas modernas veramos que el 25% de las medicinas son preparados naturales. Las dems son sustancias medicinales sintetizadas por el poder de la Qumica y desconocidas en la naturaleza. En la actualidad, durante un solo da, los qumicos sintetizan variedad de nuevos medicamentos, desde analgsicos hasta preparados para curar enfermedades psquicas.

A continuacin te presentamos un ejemplo de sntesis de sustancia.

La primera sntesis de una sustancia medicinal se realiz hace unos cien aos. Haca ya tiempo se conoca la propiedad curativa del cido saliclico sobre el reumatismo, pero era muy difcil y caro obtenerlo a partir de la materia prima vegetal. Slo en 1874 se logr elaborar un procedimiento simple para preparar el cido saliclico a partir del fenol.

El dolor siempre ha sido compaero 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 analgsicos; uno de ellos es el cido saliclico, sin embargo, causa daos a la mucosa estomacal, por los que los qumicos se preguntaron: Cmo disminuir el dao estomacal que produce el uso del cido saliclico como analgsico?.

Mediante un proceso de sntesis los qumicos lograron solucionar este problema al unir a la molcula del cido saliclico un radical acetilo, convirtindolo en cido acetil saliclico. Esta sustancia sirve de base para muchos preparados medicinales, entre ellos la aspirina comn, pero existen diversos productos farmacuticos que la incluyen. Recuerdas alguno? Si observas en la caja la composicin de algunos medicamentos de tu casa vers cules contienen cido acetil -saliclico.

Restaurar la salud de las personas es una tarea noble para los qumicos, pero, al mismo tiempo, la ms difcil. 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 xito una enfermedad determinada, tambin se necesita analizar detalladamente de qu modo acta y cul es su mecanismo qumico de lucha contra dicha enfermedad.

Como vez, el anlisis y la sntesis son dos procesos que los qumicos emplean cotidianamente en su trabajo, de la misma manera que contribuir a la experiencia de la enseanza-aprendizaje es la tarea de un docente.

2.1 MATERIA

Gracias a los sentidos, el hombre est en contacto con la materia. As, a travs de la vista captamos sombras y colores; por el olfato, olores; por el gusto, sabores; por el odo, sonidos; y por el tacto, texturas. Cada una de estas cualidades son manifestaciones de la materia, de tal modo que es materia lo que se puede ver, tocar, or, oler o saborear. Puedes pensar en toda la materia que te rodea, como plsticos, vidrios, sal, azcar, metales, madera, gasolina, telas, agua, oxgeno, gas domstico, etctera.

No obstante, es indudable que hay algunos tipos de materia que no pueden captarse fcilmente por medio de los sentidos, por lo que hemos necesitado de la ayuda de algn artefacto que los haga manifiesto.

Antes de observar el siguiente experimento reflexiona mediante los siguientes cuestionamientos:

El aire es materia? puede captarse mediante los sentidos?

Al sumergir un tubo de vidrio invertido en un vaso con agua, sta no penetra en el tubo Por qu? qu necesitas hacer para que penetre el agua en el tubo? qu diferencia hay entre decir tubo vaco y tubo al vaco? Investiga y antalo en tu cuaderno:

Como has observado, dos porciones de materia (agua y aire) no pueden ocupar un sitio igual al mismo tiempo ya que para llenar el vaso con agua, antes tuviste que eliminar el aire, tal como sucede con una jeringa, primero le sacamos el aire para poderla llenar despus con alguna otra sustancia.

2.1.1 Estados de agregacin molecular de la materia

En el experimento anterior has tenido contacto con la materia en tres estados fsicos: slido (vaso, recipiente), lquido (agua) y gaseoso (aire).

Ahora bien, aunque a nuestros sentidos la materia se presenta como continua, en realidad es discontinua; es decir, est compuesta por pequesimas partculas; en alguna materia estn muy juntas y en otra muy separadas. En parte, sto se debe a la existencia de diferentes estados fsicos de la materia.

Los slidos, por ejemplo, tienen las partculas muy cerca unas de otras, de ah su rigidez y su dificultad para comprimirlos; en los lquidos las partculas tambin estn cerca, pero no tanto, por ello no tienen forma rgida o definida y se acomodan en el recipiente que los contiene (el agua en un vaso o cuando sta se derrame en el suelo). El gas se encuentra en un estado de agregacin molecular de la materia en donde las partculas estn mas alejadas, y por ello, stas no se acomodan en ningn espacio, sino que ocupan todo el que pueden. Por eso cuando hay una fuga de gas domstico, las partculas se esparcen y podemos detectarlo con el olfato, aunque estemos lejos de la fuga.

En el momento que se abre un recipiente con gas, ste escapa hacia el espacio que se le ofrece; lo alejado de sus partculas hace que el gas sea el nico de los tres estados de agregacin molecular que puede comprimirse.

La distancia que se presenta entre las partculas, depende de las fuerzas de atraccin entre ellas, las cuales cambian de acuerdo con la presin o la temperatura, es por ello que los estados de agregacin molecular de la materia cambian, al variar estos dos factores; como por ejemplo basta observar lo que sucede al calentar o enfriar el agua.

Propiedades de los distintos estados de agregacin molecular de la materia.

Estado Forma Volumen Partculas Ejemplos

Slido Definida Definido Muy juntas, con movimiento casi nulo.

Aluminio, oro, sal, acero, etctera,

Lquido Del recipiente que la

contiene Definido

Cercanas y con mayor movimiento.

Alcohol, gasolina, miel, agua, etctera.

Gas Indefinida Indefinido Separadas e independientes y

muy mviles. Aire, dixido de carbono,

helio etctera.

2.1.2 COMPOSICIN

Antes habamos mencionado que la materia apareca en nuestros sentidos como continua, aunque, en realidad est formada de partculas; de igual modo, debemos sealar que no toda materia es homognea, sino que la hay tambin heterognea. Decimos que algo es homogneo cuando cada una de sus proporciones tiene las mismas caractersticas y algo heterogneo cuando sus partes tienen distintas cualidades. Si tomamos azcar y la disolvemos en agua, al examinar cada una de sus porciones todas tienen las mismas caractersticas de olor, sabor, temperatura, densidad, etctera. En cambio, si tomamos porciones distintas de una sopa de verduras cada una de ellas tendr distinto sabor segn la verdura que est sobre la cuchara. En el primer caso nos referimos a una materia homognea, en el segundo a una heterognea.

Todo el material del que estn hechas las cosas se forma de sustancias, que se encuentran generalmente mezcladas entre s, y en muy pocas ocasiones aparecen en forma pura.

La materia puede presentar dos aspectos de acuerdo con su composicin: mezclas y sustancias puras.

Cmo podemos distinguir cuando se trata de una u otra?

En las mezclas siempre hay ms de un componente y stos pueden separarse por medios fsicos o mecnicos (calentando o filtrando, por ejemplo) sin que las propiedades de sus componentes se alteren.

Las sustancias puras, a su vez, pueden ser elementales o compuestas, ya sea que estn formadas por un solo tipo de partculas como el oro (Au), el hidrgeno (H2) y el carbono (C), llamados elementos o por varias sustancias esenciales como en el caso del agua (H2O), la sal (NaCI) y el azcar comn (C12H22O11), entre otros. Al descomponer una sustancia pura -compuesto- se altera su estructura y en consecuencia cambian sus propiedades. Por ejemplo, el agua se descompone en hidrgeno (H2) y oxgeno (O2) al pasar a travs de ella una corriente elctrica, a este proceso se le conoce comoelectrlisis.

2.1.3 Propiedades

La materia, por tanto, est formada por sustancias, cada una de las cuales tiene sus caractersticas propias que le dan su identidad y que las hacen diferentes una de otras. De este modo la materia se puede clasificar de acuerdo a las propiedades que presenta. Las cuales son:

Propiedades fsicas son las caractersticas de las sustancias que pueden determinarse sin que se altere su estructura interna: las ms comunes son color, sabor, olor, estado de agregacin molecular, densidad, masa, punto de ebullicin y volumen.

Propiedades qumicas, en cambio, describen la capacidad que tiene una sustancia para combinarse, es decir, para formar otras mediante reacciones qumicas, por ello slo puede determinase alterando su estructura interna.

Tomemos como ejemplo el cloro: fsicamente es un gas 2.4 veces ms pesado que el aire, es amarillo-verdoso y de olor desagradable; qumicamente el cloro reacciona con el sodio para producir una sal (cloruro de sodio), en condiciones comunes al combinarse con el oxgeno no es flamable, se usa como un desinfectante de agua al alterar el metabolismo de las bacterias, las destruye.

Algunas sustancias y sus propiedades fsicas.

Sustancia Color Olor Sabor Estado fsico a

25C y 1atm Punto de Ebullicin

Punto de Congelacin

Cloro

amarillo-

verdoso

sofocante y picante

picante cido

gas -34.6 C -101.6 C

Agua incolora inodora inspida lquido 100.0 C 0.0 C

Azcar blanca inodora dulce slido

descompone

a 170-186C

_______

cido actico incoloro como vinagre agrio lquido 118.0 C 5 C

2.2 ENERGA

En el lenguaje que empleas a diario, con frecuencia utilizas palabras que tienen un significado ms profundo del que comnmente le das; por ejemplo, a la luz la asocias con la energa elctrica; la fuerza se relaciona con el esfuerzo fsico, energa, velocidad o potencia; otros ejemplos son la confusin entre velocidad y rapidez y el uso cotidiano de trminos como trabajo y energa. Pero hay que tener cuidado, ya que el vocabulario cientfico es mucho ms riguroso.

El concepto de energa tiene una buena dosis de abstraccin, y para que lo entiendas habr que hacer generalizaciones que van ms all de las actividades de la vida cotidiana. La palabra energa se usa comnmente en expresiones como: se me acab la energa, come, para que tengas energa, se detuvo porque se le acab la energa, en estos casos el concepto se utiliza como si existiera algo que mantiene en movimiento a las cosas.

La energa est presente en todo lo que ocurre, desde el proceso de pensar y leer estas lneas, lo que ocurre en los seres vivos; los cambios fsicos y hasta los procesos estelares, se deben a la intervencin de la energa.

El nivel de utilizacin de la energa por el hombre a travs de su historia tiene relacin con la civilizacin, ya que en el desarrollo de la industria, la agricultura y las actividades comerciales interviene una gran cantidad de ella; por ejemplo, los hombres primitivos, cuya actividad principal era la recoleccin de frutos, gastaban aproximadamente 1000 kilocaloras diarias y en la actualidad el gasto de energa de cada persona en una sociedad de consumo rebasa las 2 500 kilocaloras diarias; en la actividad comercial, el descubrimiento de

diversas formas de energa ha evolucionado desde el empleo de animales, como una manera de desplazar mercancas, hasta el de combustibles especiales para el transporte areo.

No es posible encerrar en una sola frase el significado del trmino energa, por lo que iniciaremos por conocer sus diferentes manifestaciones, refirindolas siempre a su utilizacin.

Si queremos cambiar de posicin algn objeto, necesitamos jalarlo o empujarlo ya sea por medio de nuestros msculos o de un artefacto como una gra o remolque. Estos jalones o empujones son manifestaciones de energa llamadas fuerzas.

Si aplicas una fuerza sobre un cuerpo que est en reposo, ste se desplaza una cierta distancia, en la misma direccin y sentido que la fuerza aplicada, es decir, el cuerpo se mueve desde el reposo con una velocidad y el movimiento que se produce hace que el cuerpo gane energa a la que se le conoce como energa cintica o de movimiento.

Como puedes observar en el dibujo, la gra levanta una pesa sobre el pilote, para luego soltarlo y hacer que ste se entierre. Es evidente que mientras ms altura adquiera la pesa caer con mayor fuerza sobre el pilote. La energa que se genera al soltar la pesa es la energa cintica de la que habamos hablado, mientras que la energa que adquiere la pesa al ser levantada a una cierta altura (h) se llamaenerga potencial, y se define como la energa almacenada en un cuerpo por la posicin que tiene respecto a otro que se toma como referencia. En nuestro ejemplo nos remitimos a la pesa y a la tierra; as, mientras ms altura alcance la pesa mayor energa potencial almacenar.

Ya conociste los diferentes tipos de energa, despus de observar el dibujo puedes contestar lo siguiente: Qu clases de energa intervienen para enterrar los pilotes de una construccin?.

Antes de continuar debemos tener presente que en el Universo existe una cierta cantidad de energa, la cual se manifiesta de diferentes formas y siempre es constante. Esta energa al participar en los cambios de la materia, se transforma de un tipo a otro, pero la suma total de todas ellas no cambia. A sto se le conoce como la ley de la conservacin de la energa que establece que al igual que la materia:

La energa no se crea ni se destruye, slo se transforma

Ahora bien, cuando describimos la materia, se explic que est formada por partculas en continuo movimiento. Este movimiento de partculas produce en los cuerpos una energa interna que es la suma de las energas cintica (de movimiento) y potencial (de posicin) de sus partculas y que se conoce como energa trmica. Esta energa aumenta al calentar la materia y disminuye al enfriarla.

Cuando dos objetos de diferente energa trmica se ponen en contacto, se transfiere energa de uno a otro; por ejemplo, supongamos que se vaca una cubeta de carbn caliente en un recipiente con agua, el carbn transferir energa trmica al agua hasta que los materiales tengan la misma temperatura; a sto se llama equilibrio trmico. Despus de un tiempo cuando se toca el carbn y el agua, ambos producen la misma sensacin de caliente o de fro y ya no hay ms transferencia de energa trmica entre ellos.

Este intercambio de energa trmica se denomina temperatura, la cual indica que dos objetos estn en equilibrio trmico. La energa trmica est asociada a la cantidad de partculas y a su movimiento; debido a que este movimiento es muy difcil de determinar, no es posible medir dicha energa directamente; sin embargo, si podemos establecer el equilibrio trmico que alcanzan dos cuerpos. As, cuando ponemos en contacto un termmetro con otro cuerpo y permitimos que alcancen el equilibrio trmico, la temperatura del termmetro corresponde a la temperatura del objeto, de esta forma medimos indirectamente la energa trmica.

La diferencia entre los conceptos de energa trmica y temperatura se pueden ilustrar con el siguiente ejemplo: si mezclas el agua de una jarra a 85 grados centgrados con el agua de un vaso a la misma temperatura, no habr transferencia de energa, a pesar de que la energa trmica es mucho mayor en la jarra ya que contiene ms partculas. Recuerda que la energa trmica representa la suma de las energas cinticas y potencial de todas las partculas.

Otro ejemplo, en el que puedes identificar la diferencia entre energa trmica y temperatura, son las siguientes ilustraciones.

Qu ocurrira si se vaca el agua de cada uno de los recipientes sobre cantidades iguales de hielo por separado?.

Observars que el agua de la jarra funde mayor cantidad de hielo que el agua del vaso, lo cual indica que el agua de la jarra tena mayor energa trmica.

La energa que transita de un cuerpo de alta temperatura a otro de baja temperatura se define comocalor, es decir, el calor es el intercambio de energa trmica entre un cuerpo que la pierde y otro que la gana. Las unidades utilizadas para medirlo son la calora (cal) y la kilocalora (kcal).

Qu es una calora?. Para establecer esta unidad se tom como referencia el agua, de tal modo que una calora (1 cal = 4.184 joules) es la cantidad de energa trmica necesaria para elevar en un grado centgrado (de 14.5 C a 15.5 C) la temperatura de un gramo de agua. En ocasiones se usa el mltiplo kilocalora que equivale a 1000 caloras.

Si quemamos un papel o un trozo de madera obtenemos energa en forma de calor; esta energa estaba, de alguna manera, almacenada en los materiales; este ejemplo nos muestra otra forma de energa; la energa qumica que es la que se encuentra almacenada en las sustancias y que determina la facilidad con la que stas efectan un cambio qumico.

La energa qumica almacenada puede liberarse mediante una reaccin o cambio qumico. En esta forma, muchas sustancias actan como fuentes o almacenamiento de energa que se emplea cuando se requiere, por ejemplo, la energa almacenada en las plantas es utilizada por los animales y el hombre al alimentarse para obtener la energa necesaria y sus actividades.

En las modificaciones que experimenta la materia se puede absorber o liberar energa que se presenta en diversas formas, ya sea elctrica, luminosa o calor. Toda la energa que necesitamos para los procesos vitales se produce por los cambios ocurridos en la materia; en sentido inverso, la energa causa cambios en la materia. En nuestra vida algunos de los aparatos que usamos funcionan mediante la inter conversin entre la energa elctrica y la qumica. Por ejemplo, la energa qumica se transforma en elctrica en las

diferentes pilas o acumuladores al reaccionar las sustancias que contienen, provocando una corriente elctrica que se aprovecha en aparatos electrodomsticos y en los automviles.

En otros casos, la energa elctrica se transforma en energa qumica, como por ejemplo en la electrlisis, que es un proceso en el cual una sustancia se descompone por la accin de la energa elctrica.

La electrlisis desempea un papel importante en la industria qumica; muchos metales como sodio (Na), magnesio (Mg) o el aluminio (Al) se obtiene de esta manera, de igual manera se producen el cloro (Cl2) o el agua oxigenada (H2O2). Tambin se emplea este procedimiento para recubrir objetos slidos de una capa delgada de metal con fines decorativos o de proteccin, como el chapeado de oro, el cromado, el niquelado, etctera.

2.2.1 OTRAS FORMAS DE ENERGA

Desde el inicio de la civilizacin, el hombre ha utilizado la energa para su beneficio. Inicialmente, su nica fuente de energa era el Sol. Posteriormente se us la madera para la calefaccin y los animales (que se alimentaban de vegetales) para el transporte; es decir, se aprovechaba de cierta manera la energa solar absorbida por las plantas en la fotosntesis.

Los chinos empleaban el carbn hace 2000 aos, los griegos lo utilizaban especialmente en la fundicin del bronce y en Europa desde el siglo XII se conoce el carbn mineral (coque) aplicado en la herrera y la fundicin. Con este combustible se hizo funcionar la primera mquina de vapor y antes se usaron el molino de viento y la rueda de agua.

Los primeros usos que se dieron al petrleo fueron para el alumbrado, el asfalto y los materiales de construccin; se sabe que los mayas utilizaban el chapopote para estos fines, y en la India se empleaba gas natural como combustible.

El petrleo, como energtico, cobr importancia en 1859, y con ello el desarrollo de los motores de combustin interna que son la base del automvil y del aeroplano. Por otra parte, la primera estacin de energa elctrica se construy en 1882, y el desarrollo de la energa nuclear y sus impresionantes aplicaciones se inici en 1938.

As, desde el fuego hasta la energa nuclear, la humanidad ha ido haciendo suyas las fuentes de energa y esto ha permitido su extraordinario desarrollo tecnolgico; sin embargo, el empleo desordenado de estas fuentes ha trado como consecuencia grandes problemas socioeconmicos, polticos y ecolgicos. En la crisis de energticos (1972-1974) se tom conciencia por primera vez que el petrleo sera escaso y costoso a fines del siglo XX y esto oblig a buscar otras opciones de energticos, entre ellas, la fuente original: la Energa Solar.

Energa Solar

El Sol es nuestra principal fuente de energa, el cual llega a la Tierra en forma de luz y calor. La cantidad de energa que recibimos del astro es tal que con una sola parte de ella podramos satisfacer todas las necesidades energticas de nuestro planeta. Entonces cul es la razn por la que se ha tenido que recurrir a otras fuentes de energa?

El Sol es una fuente continua de energa, pero la luz que llega a la tierra depende de las condiciones climatolgicas, adems de que se interrumpe durante la noche, por lo que es necesario resolver el problema de cmo captarla y poder convertirla en otras formas de energa a utilizarse o almacenarse.

En la actualidad ya se obtiene energa elctrica a partir del Sol. Existe un mtodo en el cual se emplean varios kilmetros cuadrados de terreno cubiertos de celdas que almacenan la energa solar y la convierten en electricidad. A estas celdas se les denomina celdas foto voltaicas.

Otra alternativa para concentrar la luz solar es la utilizacin de espejos o lentes. Para el uso domstico, se puede acondicionar un sistema de recoleccin de energa solar en los techos de las casas, para utilizarla en la calefaccin.

Como se mencion, otro de los problemas que el hombre est tratando de resolver es el almacenamiento de la energa solar. Esto se ha podido hacer transformndola en energa qumica, como es el caso del hidrgeno, cuyo proceso se muestra en el siguiente esquema:

En primer lugar, la energa solar se transforma en energa elctrica, y sta se emplea en la electrlisis del agua, obtenindose oxgeno e hidrgeno, el cual se puede almacenar y transportar para ser utilizado como combustible.

Energa de hidrgeno

Quin haya ledo La Isla Misteriosa de Julio Verne, recordar las palabras del capitn Nemo, el personaje principal: Si amigos, creo que el agua ser un da empleada como combustible, que sus constituyentes, hidrgeno y oxgeno, utilizados aislada o simultneamente, proporcionarn una fuente inagotable de luz y calor.

Lo que no era ms que un sueo est en camino de convertirse en realidad, ya que el hidrgeno, obtenido del agua, constituir en el siglo XXI una de las principales fuentes de energa.

A temperatura ambiente, el hidrgeno no reacciona con el oxgeno, pero a 600 C aproximadamente, la reaccin es muy violenta y libera gran cantidad de energa produciendo agua, de acuerdo a la siguiente reaccin 2H2 + O2 H2O. Esta energa se puede utilizar como sustituto de gasolina u otros combustibles. El hidrgeno, entonces, es considerado como el combustible ideal, ofreciendo ventajas sobre otros con la nica desventaja de necesitar de enormes depsitos para su almacenamiento.

Energa elica

Calentadas por rayos solares (energa solar) las masas de aire se ponen en movimiento (ms adelante, en este curso, conocers la explicacin del fenmeno) y producen lo que conocemos como vientos a partir de los cuales se obtiene la energa elica. Nuestros antepasados explotaron durante miles de aos esta fuente de energa, por ejemplo, los egipcios, 3000 aos antes de nuestra era, ya navegaban por el Nilo gracias a la accin de los vientos y en el siglo VII existan molinos de vientos para moler grano.

Actualmente existen mquinas elicas que captan energa del viento (como los molinos holandeses), independientemente de la direccin del mismo, y son utilizadas para bombear agua y producir electricidad.

Energa de las mareas

Otra forma de energa, que comienza a impactar en importantes proyectos, es la que se obtiene a partir de la fuerza de las mareas. En las llamadas centrales mareo-motrices, el desnivel de las mareas se utiliza de forma semejante al de las centrales hidroelctrica, que generan electricidad a partir de la energa de una cada de agua.

Para captar la energa de las mareas debe construirse una presa en una baha. Con la marea (ascendente o descendente), el agua circula de la presa a la baha y viceversa. La energa martima se transforma en corriente elctrica por medio de conjuntos turbina-alternador, capaces de funcionar en los dos sentidos de flujo. La potencia desarrollada depende del volumen til de la presa y el desnivel mximo entre sta y la baha.

Energa geotrmica

A medida que se penetra en el interior del planeta, la temperatura aumenta. En promedio aumenta 1C cada 33 metros. Esto vara de unas regiones a otras, dependiendo de numerosos factores, entre los que sobresalen: la conductividad trmica de las rocas, el tipo de reacciones qumicas que hay en la zona, la presencia y cantidad de sustancias radioactivas, y la proximidad de rocas eruptivas que pueden proveer calor. Este aumento en la temperatura es la manifestacin de la energa geotrmica.

Las centrales geotrmicas, llamadas de alta energa explotan sistemticamente las fuentes de agua caliente y en ocasiones de agua hirviendo que expulsan chorros de vapor a 240 C. El vapor es recogido por canales y despus es conducido bajo presin a las turbinas generadoras de electricidad.

Biogas

Hay una fuente de energa todava ms sorprendente: el estircol, que est formado por restos orgnicos vegetales y excrementos de animales, el cual se utiliza como abono y puede tener aplicaciones insospechadas.

La fermentacin del estircol proporciona biogas (gas producido por procesos biolgicos), que es semejante al gas natural y tiene principalmente metano (CH4) y dixido de carbono (CO2) el biogas es un combustible de buena calidad y de fcil obtencin. Los excrementos de una vaca en un ao permiten obtener aproximadamente 500 m

3 de gas, o sea el equivalente a 300 litros de gasolina.

Despus de la produccin de este gas, los residuos de la fermentacin siguen siendo utilizables como fertilizantes. Desde el punto de vista de la ecologa, el biogas representa una fuente de energa especialmente interesante, ya que no es perjudicial para el ambiente.

2.3 CAMBIOS DE LA MATERIA

Con anterioridad se expusieron diversas manifestaciones de la materia, de la energa y la forma en que estn interrelacionadas, de tal manera que ahora es posible cuestionarnos cmo puede la energa provocar cambios sobre la materia? Para explicar esto utilizaremos como ejemplos fenmenos que ocurren a tu alrededor.

Siempre que una sustancia cambia, alguna forma de energa interviene. As, decimos que un cambioes una conversin de la materia, de una a otra forma distinta, debido a su interaccin con la energa.

Reflexiona sobre las siguientes preguntas:

Qu sucede con la gasolina para que se pueda poner en marcha un automvil? Por qu se oxidan los metales? Sucede algn cambio cuando se seca la pintura de alguna superficie? Por qu un chocolate se derrite en tus manos? A qu se debe el brillo del sol? Cmo enfra un refrigerador? Por qu la carne cambia de color cuando la cocinamos?A qu se debe que tu organismo se encuentre normalmente a 37C? Por qu el hielo se funde en el agua? Por qu al hervir agua se desprende vapor? Cmo se produce energa elctrica en una pila? De dnde obtienen las plantas su energa? Por qu el aroma de un perfume se volatiliza rpidamente?

Las preguntas anteriores corresponden a algunos ejemplos de cambios que observamos muy a menudo y que pocas veces analizamos; la lista puede parecer larga y, sin embargo stos son ejemplos de que existe una interaccin entre materia y energa para producir un cambio.

Las respuestas a estas preguntas las conocers ms adelante, pero es necesario aclarar que un cambio puede manifestarse en diferentes formas, es decir, existen distintos tipos de cambios sobre la materia: FSICOS QUMICOS Y NUCLEARES.

2.3.1 CAMBIOS FSICOS

Un cambio fsico no implica cambio en la composicin de una sustancia sino solamente en su estado de agregacin o en su forma. Existe una buena cantidad de ejemplos en los que se involucra solamente el cambio en el estado fsico debido a la interaccin materia-energa, algunos de los fenmenos que se incluyen en las preguntas del tema anterior, son ejemplos de cambios fsicos, veamos por qu:

El chocolate se derrite en la mano, ya que el calor transmitido por ella es suficiente para superar la temperatura de fusin de muchos de sus componentes slidos pasando al estado lquido, es decir, existe un cambio en el estado de agregacin molecular, pero el chocolate sigue siendo chocolate.

El refrigerador tiene un motor (compresor), el cual convierte la energa elctrica en energa mecnica para comprimir al fren (gas) y que ste pase al estado lquido, posteriormente se expande y regresa al estado gaseoso; este ciclo de gas a lquido y lquido a gas, se repite constantemente. Cuando se produce la expansin, el fren absorbe la energa calorfica de los alimentos e incluso del aire que se encuentra en el interior del refrigerador, registrndose un descenso en la temperatura. En este ejemplo se observan dos cambios fsicos: un cambio de estado de agregacin -cuando el fren pasa de lquido a gas- y un cambio de temperatura -la transferencia de calor de los alimentos al fren-, pero ni la naturaleza del fren ni la de los alimentos cambi.

Si se aplica calor al hielo, ste se funde cambiando al estado lquido. Esto es lo que ocurre cuando la temperatura ambiente es igual o superior a su temperatura de fusin. Algo similar sucede cuando aplicamos energa en forma de calor al agua, al llegar alrededor de los 100C se alcanza su temperatura de ebullicin (hierve) pasando del estado lquido al gaseoso.

Al destapar un frasco de perfume, las sustancias aromticas que contiene se esparcen pasando del estado lquido al gaseoso (evaporacin); esto se debe a que absorben energa trmica del ambiente.

En los ejemplos citados se hizo alusin a cambios en la materia y, en todos los casos, alguna forma de energa fue la causante de los mismos.

Todos los cambios de estado son ejemplos de cambios fsicos, ya que en ellos la materia pasa de un estado de agregacin a otro debido a una transferencia de energa, sin alterar su composicin. En un mismo estado de agregacin, tambin puede haber cambios fsicos, por ejemplo, el grafito y el diamante, son formas distintas de la misma sustancia slida (Carbono, C) y que slo difieren en la distribucin y acomodo de sus partculas, por lo cual se les llama formas alotrpicas. En este caso, el grafito podra convertirse en diamante si se somete a presiones muy grandes, para lo cual, se requerira tal cantidad de energa que resulta ms barato extraerlo de las minas, que tratar de producirlo de esta forma.

Cuando preparas una mezcla, como por ejemplo, una limonada o pasta para pastel, ests realizando un cambio fsico, pues la estructura de las sustancias que combinas no cambia aunque las propiedades de la mezcla son diferentes a las que tenan cada una de las sustancias originalmente.

2.3.2 CAMBIOS QUMICOS

En un cambio qumico, las sustancias se transforman en otras distintas debido a que se altera su estructura interna al interactuar con la energa; sto es lo que se conoce como reaccin qumica. Por ejemplo un automvil funciona porque en su motor est sucediendo una reaccin de combustin de la gasolina y debido a ello se liberan productos como monxido de carbono (CO), dixido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O), transformndose as la energa qumica del combustible en energa mecnica, la cual provoca el desplazamiento del automvil. Sin embargo, no podemos introducir los productos de la combustin al motor para producir gasolina a partir de stos. Este es un cambio qumico irreversible pues ocurre en una sola direccin.

Existen otros cambios que pueden ocurrir en dos direcciones; por ejemplo, el hierro (Fe) se oxida normalmente con el oxgeno (O2) del aire, producindose un xido y liberndose energa (la cual es imperceptible, ya que la reaccin es muy lenta), pero si se controlan adecuadamente las condiciones del cambio, se puede obtener el metal a partir de sus xidos. A este tipo de cambios qumicos se le conoce como reversible.

Otro ejemplo de cambio qumico tiene lugar cuando cocinamos carne; el cambio de color obedece a una serie de complejas reacciones qumicas de oxidacin que, adems, producen el color, aroma y sabor tan caractersticos de la carne. Los cambios qumicos relacionados con el cocimiento de los alimentos son irreversibles.

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En los seres vivos, cada proceso est relacionado con cambios qumicos, de los cuales se obtiene la energa; por ejemplo, la respiracin es un proceso en el cual los alimentos se utilizan de manera similar a la gasolina en un motor. En ella, a partir de la combustin de los alimentos se obtiene dixido de carbono (CO2), agua (H2O) y energa, la cual se utiliza para realizar sus funciones como construir nuevas molculas, mantener la temperatura del cuerpo, desplazarse, etc. Las plantas adems realizan el proceso inverso a la respiracin tomando la energa solar para llevar a cabo la fotosntesis, la cual consiste en la formacin de carbohidratos [(CH2O)n] a partir del dixido de carbono y agua.

En una pila elctrica o en un acumulador se encuentran sustancias que reaccionan transformando la energa qumica en energa elctrica. Debido a sto, la estructura de las sustancias originales cambia cuando estas

se acaban (se han convertido en otras sustancias), la pila o el acumulador dejan de suministrar energa elctrica.

2.3.3 CAMBIOS NUCLEARES

Un cambio nuclear consiste en la modificacin del nmero de partculas (protones y neutrones) de los ncleos que forman los tomos de los elementos qumicos. Cuando se presenta un cambio de este tipo, existen grandes cantidades de energa asociadas a l, debido a que son muy grandes las fuerzas que mantienen unidas las partculas en los ncleos.

La radiactividad es el resultado de un cambio nuclear. Todos los ncleos de los elementos qumicos tienen una estructura especfica y generalmente estable cuando es igual el nmero de protones (partculas con carga positiva) y neutrones (partculas sin carga), pero a medida que se incrementa el tamao y peso del ncleo, se provoca una inestabilidad en l, debido a las fuerzas de repulsin de los protones, lo que da origen a la radiactividad. sta se presenta de tres maneras, como emisin de partculas alfa (a), beta (b) y emisin de radiaciones gama (g).

La radiactividad puede utilizarse para establecer la edad de fsiles o restos arqueolgicos, ya que existen detectores sumamente sensibles que pueden medir los cambios nucleares presentados en la estructura original de los objetos. La medicina nuclear utiliza compuestos radiactivos como marcadores con propsitos de diagnstico o para el tratamiento de enfermedades.

Adems de la radiactividad, existen otros tipos de cambios nucleares: la fisin y la fusin nuclear. Lafisin consiste en la separacin o rompimiento de un ncleo pesado para formar dos ncleos ms ligeros. La fusin nuclear es el proceso inverso ya que consiste en obtener un ncleo ms pesado a partir de la unin de dos ligeros. En ambos casos, para iniciar el proceso se requiere gran cantidad de energa, pero la cantidad de energa que se libera es mucho mayor.

En los reactores nucleares se aprovecha la fisin para producir energa elctrica en gran escala. Las bombas atmicas como las que se hicieron estallar en 1945 en Japn, son ejemplos en los que la fisin nuclear se utiliz con fines destructivos.

Un ejemplo de fusin nuclear que ocurre continuamente a nuestro alrededor es el que produce la energa solar.

Muchos de los grandes sabios, sobre todo del siglo pasado, murieron con la frustracin de no poder explicarse qu pasa en el Sol.

Es fcil entender que la cantidad de energa que la Tierra recibe del Sol en forma de luz y calor es inmensa, capaz de conservar la temperatura suficiente para la vida. Sin embargo, la energa que sale de la esfera solar se dispersa hacia todos lados, de modo que la Tierra capta una mnima parte respecto de la cantidad total producida.

Si bien el Sol es mucho ms grande que la Tierra, este gasto de energa lo hubiera consumido por completo si su combustible fuera del tipo que usamos en nuestro planeta. Durante un tiempo se pens que estara formado simplemente por un combustible desconocido en la Tierra; sin embargo, la espectroscopia mostr que el Sol est formado preferentemente por hidrgeno, un elemento muy abundante en el planeta.

Qu clase de cambio ocurre en el hidrgeno para que se genere tanta energa?

La respuesta est en un cambio que sucede a nivel nuclear: Aun cuando las reacciones en el Sol son muy complejas, la ms importante de ellas se debe a la fusin nuclear.

En las condiciones generadas por la inmensa fuerza gravitacional debida a la masa del Sol y la altsima temperatura en su interior, los ncleos de hidrgeno se juntan para formar ncleos de helio (He); parte de la masa de los ncleos de hidrgeno se convierte en energa, siendo sta la fuente de la energa que emite el Sol. El hidrgeno que an tiene el astro, a pesar de que ha brillado por cinco mil millones de aos, le ser suficiente para seguir emitiendo energa al menos por otro periodo semejante.

Los cambios nucleares ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo de manera natural, sin que nos percatemos, y son hasta cierto punto inofensivos. La ciencia ha aprendido a producir estos cambios artificialmente, creando plantas nucleares, con la finalidad de resolver el problema de los energticos; sin embargo, se requiere establecer numerosas medidas de seguridad ya que un accidente en su funcionamiento puede traer consecuencias desastrosas para la humanidad, como ha ocurrido en algunos pases.

Algo importante que debes observar es que en el caso de los cambios nucleares, las leyes de conservacin, tanto de la materia como de la energa, se renen por la posibilidad de transformar una en otra.

En 1905 Albert Einstein (1879-1955), uno de los cientficos ms sobresalientes de la historia de la humanidad, expres una teora sorprendente para su poca, la cual afirma que en realidad la materia y la energa son dos formas diferentes de lo mismo y se pueden transformar entre s. Lo anterior se representa en la siguiente frmula, cuya belleza consiste en su sencillez y profundidad:

Para determinar la cantidad de energa que se produce en una reaccin nuclear, se aplica la ecuacin anterior, que significa que la energa (E) producida a partir de una porcin de materia es igual a su masa (m), multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c). As por ejemplo, 1 g de uranio produce tanta energa como las que producira 2,600,000 kg de carbn al quemarse. Una pequesima cantidad de materia se convierte en cantidades enormes de energa; sto es lo que ocurre en el Sol. As es explicable que se diga que la materia es energa concentrada.

Traduciendo lo anterior a lo que se conoce como la Ley de la Conservacin de la Materia y la Energa se llega al siguiente enunciado: La cantidad total de materia y energa del universo no aumenta ni disminuye (no se crea ni se destruye); no obstante, la materia y la energa pueden transformarse entre s.

3.1 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

En nuestra vida cotidiana nos encontramos muchas veces ante la necesidad de cuantificar magnitudes, metros de tela, litros de leche, kilogramos de tortilla, watts en un foco, metros cuadrados de alfombra, etctera. En