Química General: composición de la materia y métodos de separación

QUÍMICA GENERAL

Sonia Henao EJE 1 Conceptualicemos

rn H3 C OR 0 U C2 H5 OH 0 2H2 +O2 2H2O I H3 C CH - OH OH H2 SO4 H3 C- O AREANDINA Fundación Universitaria del Área Andina MIEMBRO DE LA RED ILUMNO

Fuente: freepick/761070

H.O

ÍNDICE

• ¿Qué importancia tiene la química en la ingeniería? 5
• La investigación científica y la consolidación de la teoría atómica 6
• ¿Cómo está constituida la materia? 7
• Modelo atómico actual y configuración electrónica de los elementos 12
• ¿Qué es la configuración electrónica y qué información nos brinda? . . . 13
• ¿Qué es la tabla periódica y qué información nos muestra? 17
• Fases y clasificación de la materia 18
• Clasificación de la materia y métodos de separación 20
• Clasificación de la materia 20
• Métodos de separación 21
• Riesgo químico 21
• Fuerzas, energía e interacciones atómicas 23
• Las cuatro fuerzas que rigen el universo 23
• Tipos de fuerzas intermoleculares 25
• La estructura de Lewis y Regla del Octeto y los enlaces químicos 28
• Regla del Octeto y estructura de Lewis 28
• Propiedades físicas y químicas de la materia 30
• Propiedades físicas 30
• Propiedades químicas .30
• Propiedades de la materia y almacenamiento de sustancias químicas: una prioridad dentro del esquema de gestión del riesgo químico 31
• Fórmulas químicas .32

INTRODUCCIÓN

Es probable que alguna vez te hayas encontrado con un producto que enun- cia en su etiqueta "sin químicos añadi- dos", valdría la pena preguntarnos si es en realidad eso posible. Todo lo que nos rodea y todo lo que moviliza los dife- rentes tipos de industria (agricultura, alimentación, bebidas, tabaco, cons- trucción, farmacéutica, minería, salud, textiles, hidrocarburos, etc.) involucra procesos químicos. Es más, en este pre- ciso momento mientras inicias esta lec- tura, dentro de tu organismo suceden un sin número de reacciones químicas que te permiten llevar a cabo una varie- dad de procesos metabólicos, así que tu cuerpo es un cúmulo de "químicos añadidos".

Como futuro Ingeniero (a) Industrial tendrás a cargo personas, materiales y equipos, así que resulta no sólo per- tinente sino necesario acercarse a la comprensión de algunos procesos de clasificación de la materia y al recono- cimiento de lo que implica manejar sus- tancias que pueden ser potencialmente peligrosas en una industria; esto te brin- dará, junto con los demás espacios aca- démicos, elementos para desempeñarte como líder logístico y/o brindar asesorías más precisas en determinados sistemas de producción de bienes y servicios.

En este eje se abordarán conceptos claves que nos ayudarán a acercarnos a comprender las relaciones que se dan entre la estructura atómica, las molécu- las, el comportamiento de la materia y las propiedades que caracterizan a algu- nos materiales.

La materia y sus propiedades

Importancia de la química en la ingeniería

Teniendo en cuenta que la Química se concibe como una ciencia central (ver figura 1 Química como ciencia central) y que en las industrias pueden tener lugar operaciones (soldadura, destilación, ope- raciones de fundición, aplicación de pla- guicidas, etc.) que implican la fabricación y eliminación de desperdicios que pueden resultar potencialmente peligrosos y que requieren un manejo apropiado, es esencial que se tenga conocimiento sobre:

• La forma de clasificar y almacenar reactivos químicos atendiendo a las propiedades y comportamiento de las sustancias químicas.
• La forma de eliminar residuos quí- micos potencialmente peligrosos atendiendo a sus propiedades y comportamiento.
• Las reacciones químicas que pue- den llegar a darse atendiendo a las propiedades y comportamiento de las sustancias químicas durante un proceso específico y que puede lle- gar a afectarnos de manera directa o indirecta, por la piel, por ingestión o por inhalación.

En este eje específicamente nos centra- remos en la forma de clasificar sustancias químicas según sus propiedades.

Ciencia y tecnología de alimentos Biología Medicina Agricultura Bioquímica Biofísica Toxicología Biogeoquímica Ciencias ambientales Biología molecular Física QUÍMICA Química nuclear Ciencias de materiales Nanotecnología Matemáticas Ingeniería Físico-química Ciencias de la computación

Figura 1. La química y su relación con otras disciplinas Fuente: Glenn T. Química General (2020).

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La investigación científica y la consolidación de la teoría atómica

La química es una ciencia basada en la observación y la experimentación. Hacer química implica intentar responder preguntas y explicar las observaciones en términos de las leyes y teorías utilizando, para tal fin, procedimientos que son aceptados por la comunidad científica. ¿ Pero a qué tipo de procedimientos se está haciendo referencia? El método científico consta de una serie de pasos (figura 2) que no siguen un orden estricto pero que sí llevan a quienes investigan a recorrer unos caminos de ida y vuelta en busca de satisfacer sus necesidades de conocimiento. Te invito a revisar la siguiente figura:

Observación y curiosidad

Las Observaciones se convierten en leyes

A partir de la hipótesis hago una predicción

Siguiente

Contribuciones al cuerpo de conocimiento actual

Llevo a cabo un experimento y registro más observaciones

Resultados consistentes con la predicción

Las hipótesis se convierten en teorías

Muchas pruebas adicionales respaldan la hipótesis

Figura 2. Acciones que sustentan el método científico como ruta de investigación Fuente: Glenn T. Química General (2020) .

¿Te has detenido a pensar cómo la comunidad científica y la comunidad en general llega a aceptar una información como válida y razonable? ¿ Te has puesto a pensar las implicaciones que tiene la formulación de una teoría sobre la forma cómo percibimos el mundo?

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El método científico y la teoría atómica

Instrucción Te invito a escuchar el podcast sobre qué es el método cientí- fico y cómo funciona, este se encuentra en la parte principal del eje.

La teoría atómica es un ejemplo de una teoría científica que comenzó como espe- culación y, a través de las limitaciones pro- porcionadas por la observación cuidadosa, la experimentación y la coherencia lógica, evolucionó con el tiempo en un conjunto detallado de ideas que hacen prediccio- nes precisas y son capaces de explicar un número cada vez mayor de fenóme- nos diversos y a menudo desconocidos. A medida que los científicos hacen nuevas observaciones, la teoría atómica se adapta o se complementa permitiéndonos lograr mejores comprensiones sobre la composi- ción de la materia y su origen. Una carac- terística clave de las ideas científicas, a diferencia de otros tipos de ideas, no es si son correctas o incorrectas, sino si son lógi- camente coherentes y hacen predicciones inequívocas, observables y generalmente cuantitativas. Pasemos a identificar algu- nas de las evidencias que han permitido que la teoría atómica se valide a través del tiempo.

¿Cómo está constituida la materia?

Para responder a esta pregunta los químicos y los físicos utilizan como referente la teoría atómica. Esta teoría se ha ido consolidando a lo largo de la historia de la humanidad y como verás a continuación cuenta con un amplio registro experimental y con unos resultados que han sido consistentes con la predicción que se hizo en la Antigua Grecia.

Desde el momento en que surgieron las primeras ideas sobre los átomos y durante un largo período de tiempo, no hubo evidencia física sobre la composición de la materia y el debate sobre su naturaleza, no pudo resolverse científicamente hasta que hubo evidencia empírica ¿Cómo lograron los científicos del siglo XIX obtener evidencia de la existencia de átomos? ¿ Qué llevó a los científicos a la conclusión de que la materia está compuesta de átomos?

Para llegar a una teoría los científicos por varios siglos reunieron evidencias. A continuación, se presentan las 5 evidencias que permitieron la formulación de las teorías atómicas:

• Evidencia 1: John Dalton en el siglo XVII descubrió que ciertas sustancias, cuando se combinan, lo hacen en ciertas proporciones de masa. Dal- ton nunca explicó realmente qué lo llevó a proponer su teoría atómica, aunque la usó para explicar las reglas de combinación de los diferentes ele- mentos. Entre estas reglas estaba la observación de que la materia total presente en un sistema no cambia durante una reacción química, aun- que una reacción pueda conducir a un cambio de un sólido a un gas o viceversa.

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• Evidencia 2: Sobre la existencia del electrón: los científicos descubrieron que cuando se coloca un voltaje a través de un filamento o placa en un vacío don- de se ha eliminado casi todo el gas, se emiten rayos cargados negativamente. Estos rayos fueron llamados como tales porque exhibían algunas de las mismas propiedades que la luz. J. Thomson descubrió que podían desviarse con un cam- po eléctrico o magnético (igual que si lanzaras un clip y colocaras un imán, el clip se desviará de su trayectoria). Como esto NO es posible para los rayos de luz, Thomson concluye que los rayos catódicos están compuestos de partículas cargadas negativamente. Y concluye que estas partículas (electrones) pueden provenir del material del cátodo o de gases residuales en la cámara de vacío. El fenómeno ocurrido sólo tiene sentido si los electrones se encuentran contenidos en los átomos.
• Evidencia 3: Sobre la existencia del protón: Ernest Rutherford y sus colegas te- nían la hipótesis de que la masa de un átomo y la carga positiva se distribuyen difusamente por todo el átomo. Al realizar sus desarrollos experimentales (1908 a 1913) descubrieron que sus expectativas y observaciones reales no coincidían en absoluto.

Hipótesis y resultados esperados

+ to to + - + + # to + + + to + to

Resultados obtenidos

Figura 3. Hipóstasis y resultados esperados Diferentes de los resultados obtenidos Fuente: Glenn T. Química General (2020) .

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• Evidencia 4: Sobre la existencia del neutrón: Frédéric e Irène Joliot-Cu- rie habían estudiado la radiación no identificada del berilio y descu- brieron que esta radiación liberaba protones de los átomos de hidróge- no y esos protones retrocedían con una velocidad muy alta. Joliot-Curie creía que la radiación correspondía a fotones gamma de alta energía, pero Chadwick pensó que esa expli- cación no encajaba. Los fotones, al no tener masa, no arrojarían partí- culas tan pesadas como los proto- nes. En 1932, él mismo intentó expe- rimentos similares, y se convenció de que la radiación era de hecho, una partícula neutra sobre la masa de un protón. En febrero de 1932, des- pués de experimentar durante unas dos semanas, Chadwick publicó un artículo titulado "La posible existen- cia de un neutrón", en el que pro- puso que la evidencia favoreciera al neutrón en lugar de los fotones de rayos gamma como la interpreta- ción correcta de la misteriosa radia- ción. No pasó mucho tiempo para que los científicos descubrieran que golpear el uranio con neutrones re- sultaba en la fisión del núcleo de uranio y la liberación de cantidades increíbles de energía, abriendo paso al posible desarrollo de las armas nucleares.
• Evidencia 5: sobre la existencia de partículas más pequeñas: los proto- nes y los neutrones están compues- tos de partículas aún más pequeñas llamadas quarks, que conocemos gracias a los modernos experimen- tos de física de alta energía.

Video sobre el estudio de la materia

Video Te invito el siguiente video en donde los investigadores de IBM utilizaron un microsco- pio de túnel de barrido para mover miles de moléculas de monóxido de carbono (con el fin de hacer una película tan pequeña que solo se puede ver cuando se aumenta 100 millones de veces, esto da una noción de los avances que siguen dándose en torno al estudio de la materia.

A Boy and His Atom: The World's Smallest Movie https://www.youtube.com/ watch?v=oSCX78-8-q0

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