Ácidos y bases

El término ácido es asociado con líquidos altamente peligrosos y corrosivos, razón que no es cierta del todo, ya que existen ácidos en una infinidad de frutas y verduras que no son propiamente corrosivos o en medicamentos para el dolor de cabeza, como el ácido acetilsalicílico.Los términos base y álcali probablemente no resulten familiares, sin embargo, están presentes en productos de limpieza con amonia, en la sosa utilizada para remover cochambre, aun en remedios contra las agruras o acidez como el bicarbonato de sodio, en las sales derivadas de la uva y los geles de aluminio o magnesio.Científicos que iniciaron los estudios acerca de ácidos y bases Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), químico francés, fue el primero en estudiar los ácidos y las bases. Observó que los ácidos se formaban disolviendo en agua el producto obtenido al quemar elementos no metálicos en atmósfera de oxígeno (óxidos no metálicos). Posteriormente, Humphrey Davy (1778-1829), químico inglés, demostraría que el ácido clorhídrico carecía de oxígeno. Por la misma época, Gay-Lussac (1778-1850), físico y químico francés, comprobó que el ácido cianhídrico tampoco contenía oxígeno.Davy y Gay-Lussac sugirieron que las propiedades de los ácidos se debían a su contenido en hidrógeno y no en oxígeno. Diversas teorías han tratado de precisar los conceptos de ácido y base con mayor fundamento. Según Arrhenius, Brönsted-Lowry y Lewis, ácidos y bases pueden considerarse químicamente opuestos, ya que al reaccionar entre ellos se neutralizan entre sí, cambiando las propiedades iniciales características en ambos. De hecho, la química de estas reacciones entre ácidos y bases se conoce como reacción de neutralización y es de las más antiguas que se han identificado.Caracterización de los ácidos y las bases La importancia de los ácidos y las bases no es exclusivamente teórica. Ambas sustancias tienen una función esencial en la industria química y en casi todo proceso biológico, lo mismo en la célula que en el organismo.Arrhenius define a los ácidos y las bases así:Los ácidos son sustancias que en disolución acuosa producen iones hidronio (H3O+), y las bases a su vez producirán iones hidroxilo (OH–).Propiedades y características de los ácidos* El ion hidronio (H3O+) es constituyente especial de todos ellos.Poseen un sabor agrio (como muchos productos químicos son venenosos, nunca debe utilizarse el sabor para identificar a las sustancias).* Reaccionan con algunos metales desprendiendo hidrógeno (como el Zn).* Cambian de color ciertas sustancias llamadas indicadores; por ejemplo: el anaranjado de metilo se torna rojo; en una disolución de azul de tornasol se colorean de rojo, y con la fenolftaleína no producen coloración alguna.* Conducen la electricidad en disolución acuosa (son electrólitos).* Generalmente son corrosivos (reaccionan con los metales).* Reaccionan con las bases produciendo sales y agua (reacción de neutralización).Propiedades y características de las bases* El ion hidroxilo (OH–) las caracteriza ya que se encuentra presente este ion.* Presentan sabor a lejía (amargo como el jabón).* Son resbaladizas al tacto.* Con el indicador anaranjado de metilo aparece coloración amarilla, la fenolftaleína presenta coloración roja intensa y con el tornasol cambia a color azul.* Conducen la corriente eléctrica en disolución acuosa (son electrólitos).* Generalmente son corrosivas.* Poseen propiedades jabonosas.* Disuelven los aceites y el azufre en agua.* Reaccionan con los ácidos para producir sales y agua (reacción de neutralización).Fuerza de los ácidos y las basesNo siempre los ácidos y las bases se ionizan por completo en una disolución acuosa. Un ácido, como el sulfúrico, que se disocia completamente en iones positivos (H3O+) y iones negativos (SO4–2), es un ácido fuerte. Una base como el hidróxido de sodio o sosa cáustica que se disocia completamente en iones positivos (Na+) y negativos (OH–) es una base fuerte.Existen ácidos y bases que sólo se disocian ligeramente en una disolución acuosa; tal es el caso del hidróxido de amonio (base) que se ioniza de forma parcial en iones amonio (NH4+) y iones hidroxilo (OH–), la mayor parte de las moléculas de hidróxido de amonio permanecen sin disociarse; por lo tanto, es una base débil. El ácido acético sólo se ioniza ligera o parcialmente en una disolución, razón por la cual es un ácido débil.Un ácido o base débil es aquella sustancia que no está totalmente disociada en una disolución acuosa.

Oxidación y reducción

Las reacciones químicas de oxidación-reducción, conocidas también como reacciones redox, son aquellas en las que se transfieren electrones y este intercambio de electrones modifica los números de oxidación de los elementos participantes; es decir, unos ganan electrones y otros los pierden.Número de oxidación y fórmulas químicasEl número de oxidación es un entero positivo o negativo (creado por conveniencia entre los químicos). Los átomos, al ganar o perder electrones, adquieren una carga eléctrica que corresponde a la cantidad de electrones ganados o perdidos. La representación de esta carga se conoce como número de oxidación, la cual es diferente a la valencia, que es la capacidad de combinación de un elemento.Escritura de fórmulas químicasPara escribir correctamente la fórmula química de un compuesto, se requiere:El número de oxidación de cualquier elemento químico es cero, así por ejemplo, el número de oxidación del sodio, hierro y carbono, en estado elemental es cero.El número de oxidación de cualquier ion atómico (catión, anión) es igual a su carga; por ejemplo:ion sodio Na+ número de oxidación 1+ion cloruro Cl+ Número de oxidación 1+*por convención internacional se acostumbra poner el signo después del número.El número de oxidación del hidrógeno es siempre 1+ excepto en los hidruros metálicos, donde es 1-; por ejemplo:H2O(agua) hidrógeno H+, número de oxidación 1+NaH(hidruro de sodio) H-, número de oxidación 1-El número de oxidación del oxígeno es siempre 2- excepto en los peróxidos donde es 1-Feo[Óxido de hierro (II)], oxígeno O2, número de oxidación 2-H2O2(peróxido de hidrógeno), oxígeno O-, número de oxidación 1- (o agua oxigenada)La suma de los números de oxidación de todos los elementos de un compuesto debe ser igual a cero y en un ion debe ser igual a la carga del mismo

Sustancias puras

Las sustancias puras que se pueden encontrar en la superficie terrestre son muy pocas. El oro Au y el mercurio (Hg) son ejemplos de sustancias de alta pureza, también lo son productos químicos como el ácido sulfúrico.En la actualidad, los químicos están interesados en el estudio de las propiedades de sustancias recogidas o extraídas de fuentes naturales, como los cristales de azúcar o de sal que se han obtenido de la caña de azúcar o del agua salada, respectivamente. Sin embargo, decir que son sustancias puras sería un error ya que la gran mayoría de ellas contiene proporciones –muy pequeñas– de impurezas. La cantidad de impurezas dependerá de los procesos y fuentes de extracción.Cada sustancia tiene una serie de características y propiedades que permiten reconocerla y distinguirla de otras; por ejemplo: el oro, dependiendo de su espesor, se presenta en varias tonalidades desde el dorado amarillo –conocido por todos–, pasando por el verde amarillento, el azul verdoso y el azul, hasta llegar al rosa violáceo, propio de una capa muy fina de oro.El oro (Au) es un cuerpo homogéneo, el más dúctil y maleable de todos los metales, buen conductor del calor y la electricidad, no se oxida, tiene propiedades definidas (densidad, punto de fusión, punto de ebullición). Es una sustancia pura que tiene una composición química y propiedades físicas definidas en forma muy particular.Es común observar en la etiqueta de un producto químico la pureza de una sustancia, sin embargo, ésta siempre tendrá microscópicas impurezas. Por tanto, todos los elementos y compuestos químicos son sustancias puras.Una sustancia pura:* Está formada por un solo componente* Es posible su descomposición en elementos mediante métodos químicos.Siempre tendrá la misma composición en sus elementos.Así, un elemento es una sustancia pura que no es posible descomponer en otra más simple ni aun utilizando métodos químicos.

Mezclas homogéneas y heterogéneas

La mayoría de las sustancias de la naturaleza no son sustancias puras sino mezclas o combinaciones de sustancias. Existen mezclas sólidas, líquidas y gaseosas; por ejemplo: el agua que es resultante de la asociación de dos partes de hidrógeno y una de oxígeno; el aire es la unión de varios gases, etcétera.La forma en que se combinan las sustancias en una mezcla es variable y sus componentes pueden separarse mediante procedimientos físicos o mecánicos. Las mezclas se clasifican en:Mezclas homogéneasConstan de una sola fase (la cual es una porción de materia con composición y propiedades uniformes), llamada disolución o solución. Son sustancias que tienen propiedades y composición constante en todas sus partes.En este tipo de mezclas no se pueden distinguir sus componentes. Algunos ejemplos son: el agua de mar, el aire, una solución de sulfato de cobre en agua, el bronce —aleación metálica de cobre (Cu), zinc (Zn) y estaño (Sn)—; el latón —combinación de cobre y zinc—, una solución de agua azucarada, etcétera.Mezclas heterogéneasEs el sistema (unión física de sustancias) donde se encuentran dos o más componentes que se distinguen a simple vista o al microscopio; por ejemplo: el granito, en el que se aprecian claramente sus componentes (cuarzo, feldespato y mica), las tolvaneras (polvo y aire), agua con arcilla, agua con aceite, etc. La leche, que a simple vista parece homogénea, al microscopio se ve heterogénea.

Características y propiedades de los metales y no metales

Los elementos pueden clasificarse de manera general en: metales y no metales.La mayoría de los elementos son metales, algunos se encuentran en las sustancias más diversas y útiles.En épocas antiguas se conocieron siete metales: oro, cobre, plata, mercurio, estaño, hierro y plomo. Asimismo, nombres y símbolos estaban relacionados con los astros: el Sol con el oro, la Luna con la plata, Venus con el cobre, etcétera.Aproximadamente tres cuartas partes de los elementos son metálicos y –aun cuando sus propiedades químicas y físicas son diversas y variadas– poseen muchas características comunes, tanto en su estado elemental como en sus compuestos.Características y propiedades físicas de los metales* Su estado físico es sólido a excepción del mercurio que es líquido.* Presentan un brillo característico en su superficie (brillo metálico).* Son dúctiles (se les puede transformar en alambres) y maleables (se pueden transformar en láminas).* Son buenos conductores del calor y la electricidad.* Son tenaces (la mayoría de ellos se resisten a la ruptura).* Su densidad es elevada si se compara con las de los no metales.* Se pueden hacer aleaciones (fundir y mezclar dos o más metales).Características y propiedades químicas de los metales* Su molécula está formada por un átomo.* Sus átomos tienen 1, 2 o 3 electrones que pueden participar en un enlace químico.* Al ionozarse (proceso para producir iones; átomos con carga eléctrica) adquieren carga eléctrica positiva.Características y propiedades físicas de los no metales* A temperatura ambiente los encontramos en los tres estados de agregación: sólidos (como el azufre y el carbono), líquidos (únicamente el bromo) y gaseosos (como el oxígeno y el hidrógeno).* No poseen brillo metálico, a excepción del yodo.* No son dúctiles ni maleables.* No son buenos conductores del calor ni la electricidad (a excepción del grafito).* Su densidad generalmente es baja comparada con la de los metales.Características y propiedades químicas de los no metales* Poseen moléculas formadas por dos o más átomos.* Sus átomos tienen en la última capa 4, 5, 6 y 7 electrones.* Al ionizarse adquieren carga eléctrica negativa.* Al combinarse con el oxígeno forman óxidos no metálicos o anhídridos.

Tabla Periódica

En 1860, después de varios intentos por unificar criterios para relacionar los diversos elementos, Cannizzaro presentó una escala de masas atómicas (basada en los trabajos de Avogadro), que revolucionó el pensamiento de la comunidad científica.Para 1864, John Newlands ordenó los elementos según su masa atómica creciente, sin embargo, sus colegas no podían comprender por qué la masa de los átomos debería ser un criterio de ordenación. En 1869, Dimitri Mendeleiev puso fin a esta discusión al realizar el ordenamiento decisivo con base en masas atómicas, estudio por el cual se le considera padre de la periodicidad.El resultado final de este trabajo es la tabla periódica de los elementos, uno de los desarrollos más importantes de la química, ya que es la figura que reconoce la periodicidad de las propiedades de los elementos.Agrupamiento de MendeleievLos primeros intentos científicos por clasificar a elementos químicos se dieron a mitad del siglo XIX; entre ellos destacan los experimentos realizados por el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleiev, quien enunció una ley periódica para ordenar los elementos en función de su masa atómica.En el año de 1869 publicó un artículo donde describía una "carta" periódica en la que dejaba espacios vacíos para indicar que pertenecían a elementos que faltaban por descubrirse.La "carta" periódica publicada por Mendeleiev se apoyó y desarrolló en función de la masa atómica de los elementos; asimismo, muestra que los elementos ubicados en la misma hilera de clasificación poseen propiedades y características similares, las cuales a menudo están asociadas en la naturaleza ya que tienen propiedades químicas parecidas.Mendeleiev organizó 63 elementos que conocía y corrigió la masa atómica de varios de los conocidos. Sin embargo, su tabla contenía deficiencias destacadas por él mismo.Actualmente, el número de elementos conocido supera el centenar y están organizados en forma de tabla periódica, la cual resume las principales características de los elementos conocidos.Años después, el físico inglés Henry Moseley (1887-1915) ordenó los elementos de acuerdo con su número atómico (que es igual al número de protones que hay en el núcleo de un átomo) creciente en cada uno, corrigiendo así las diferencias que existían en la tabla diseñada por Mendeleiev.En las tablas periódicas modernas, los elementos se colocan en orden creciente de número atómico.Alótropos en los ElementosAlgunos elementos químicos experimentan un fenómeno químico muy interesante, que consiste en que pueden existir en más de una forma, a esto se le llama alotropía. Estas formas alotrópicas suelen diferir en su estructura, así como en sus propiedades físicas y químicas. Los elementos más comunes que presentan alotropía son el carbono (C), oxígeno (O), azufre (S) y fósforo (P).El azufre (S) como sustancia sólida es un elemento que existe en más de una forma alotrópica; puede presentarse en forma rómbica, monoclínica y plástica.

Leyes Ponderales

Hasta la segunda mitad del siglo XVIII, los alquimistas (precursores de los químicos) efectuaban experimentos, que anotaban y describían con sumo cuidado. Dibujaban los aparatos utilizados y explicaban detalladamente las técnicas experimentales; sin embargo, estaban desprovistos de leyes que permitieran un estudio organizado y reproducible de los procesos químicos.Antoine Laurent Lavoisier dio fin a la falta de sistematización química al establecer el método científico, con lo cual contribuyó de forma notable al nacimiento de la química moderna como ciencia.Las leyes de Antoine Laurent Lavoisier, Joseph-Louis Proust, John Dalton y Burton Richter son las leyes ponderales de la química, pues se refieren a la masa de las sustancias que se combinan.Ley de la conservación de la masa o ley de LavoisierLa ley de Lavoisier se enuncia:"En toda transformación química, la masa total de las sustancias resultantes es igual a la masa total de las sustancias reaccionantes".Ley de las proporciones definidas de ProustEn 1801, después de múltiples experimentos, Joseph-Louis Proust, químico francés, siguiendo la técnica de Lavoisier, comprobó y estableció que en las reacciones químicas se cumple la ley de las proporciones definidas. Su enunciado es:"Cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto, lo hacen siempre en una relación de masas constante".Ley de las proporciones múltiples de Dalton y ley de Richter o de los números proporcionalesLas leyes de proporciones múltiples forman parte del grupo de leyes ponderales y son aplicadas principalmente a nivel industrial para la síntesis de compuestos, y una explicación, por sencilla que fuera, resulta demasiado compleja para los no expertos.

Hipótesis Atómica de Dalton

Dalton realizó el primer postulado científico de la existencia del átomo, afirmando que el mundo, las plantas, la comida, la ropa, el cuerpo, no son continuos; todo está formado por pequeñísimas partículas, que Dalton bautizó como átomos (que significa indivisible). Irónicamente se creería que el mundo es continuo, pero no lo es.En 1807 John Dalton enunció la teoría atómica para explicar las leyes de las combinaciones químicas estableciendo que:* Los elementos están constituidos por partículas pequeñísimas, indivisibles denominadas átomos.* Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen la misma masa e idénticas propiedades físicas y químicas, pero son distintos de los de otros elementos.* Los átomos de elementos distintos se combinan entre sí para formar un compuesto. Los átomos se combinan en proporción simple 1:1, 1:2, 1:3, etc., para constituir la molécula de un compuesto.* Los átomos del mismo elemento pueden unirse en diferentes proporciones para formar más de un compuesto.

Atomos y moléculas

El átomo está constituido por tres partículas fundamentales: protón, electrón y neutrón, con excepción del hidrógeno que no tiene neutrones en su núcleo (modelo atómico de Rutherford).En la antigüedad, los filósofos griegos admitían la discontinuidad de la materia. Pensaban que estaba formada por pequeñísimas partículas que se unían para formar los cuerpos. La hipótesis atómica fue formulada por griegos como Demócrito, Leucipo y Empédocles. La primera noción del átomo –partícula muy ligera, invisible e indivisible– deriva de esta hipótesis.Pasaron aproximadamente dos mil años para que se formulara científicamente una teoría atómica.La materia está formada por átomos, como ejemplo, en 1 g de hidrógeno hay aproximadamente:602 300 000 000 000 000 000 000 (6.023 x 1023); es decir, seiscientos dos mil trescientos trillones de átomos.No es fácil describir la estructura de un átomo porque éste no es visible al ojo humano. Los átomos son partículas pequeñísimas e indivisibles por métodos físicos, que se unen entre sí para formar moléculas. Así, las partículas más pequeñas que podemos ver de un cuerpo están formadas por millares de moléculas.En la década de los setenta se lograron obtener las primeras fotografías de los átomos, aunque burdas, lo que permitió comprobar su existencia.Esto se sabía, por el estudio de científicos importantes como John Dalton, quien en el siglo XIX retomó y desarrolló la idea olvidada de los griegos sobre el modelo que representa las moléculas como pequeñas masas constituidas por átomos; J. J. Thompson, Millikan, Niels Bohr, Rutherford, quienes cambiaron el concepto de indivisibilidad del átomo e iniciaron una época de descubrimientos.Los átomos y las moléculas representan las formas básicas de la materia y a través de sus modelos es posible explicar características, propiedades y comportamiento químico y físico de todo lo que existe.En una gota de agua hay cerca de mil trillones de moléculas (1 000 000 000 000 000 000 000). Una gota podría subdividirse en 2, 4, 8 partes y más, y sería una muestra de agua con muchas moléculas todavía, aun cuando se tuviera una sola molécula de agua, ésta no podría partirse sin que dejara de ser agua.