Energía

La energía es definida como la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor. Los principales tipos de energía son energía mecánica, calor, energía eléctrica, energía química y energía luminosa o radiante. Otros tipos de energía son la potencial y la cinética. La energía potencial es la que posee una sustancia en virtud de su posición en el espacio o de su composición química. La energía cinética es la que posee una sustancia en virtud del movimiento. Una roca en lo alto de un risco tiene energía potencial, pero cuando cae su energía potencial disminuye y su energía cinética aumenta.

Algunas sustancias químicas como el metano y la gasolina tienen una energía potencial alta. A medida que se lleva la combustión, esta energía potencial se transforma en energía calórica y en energía mecánica. El uso del carbón en las locomotoras de vapor es un ejemplo de la transformación de la energía calorífica, de la combustión, en mecánica. 

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Medida de la energía

Las transformaciones de la energía son el núcleo de la vida. En la fotosíntesis, la luz solar (energía radiante o luminosa) inicia los procesos químicos que crean los carbohidratos (energía química). La forma de energía más común, el calor, es la energía que se transfiere de una sustancia a otra cuando existe una diferencia de temperatura ente ambas. Es la energía asociada con el movimiento aleatorio de las moléculas. La cantidad de calor obtenido o perdido por un objeto se mide en calorías o joules. Una caloría (cal) es igual a la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5° a 15.5°C. 1 cal equivale a 4.184 joule (J) la cual es otra unidad de medida utilizada por el Sistema Internacional de Unidades (SI).

En nutrición se utiliza la Caloría (Cal), que es igual a 1000 calorías pequeñas o kilocalorías (Kcal).  Cuando se quema, en el cuerpo, una cucharada de azúcar (12 g) produce 45 Cal o Kcal, lo que equivale a 45 000 cal de calor.

Calor específico

Una  propiedad de la materia es que requiere una cierta cantidad de calor para producir un cambio en la temperatura, por unidad de masa de una sustancia determinada. A esto se le denomina calor específico de la sustancia. El calor específico se define como el número de joules requerido para elevar la temperatura de 1 Kg de una sustancia a 1 kelvin (K), o el número de calorías necesario para elevar la temperatura de 1 g de una sustancia en 1°C.

Química general

Propiedades físicas y químicas

Las cualidades de la materia que afectan directa o indirectamente a nuestros sentidos se llaman propiedades físicas. Estas pueden ser específicas, como el olor, color, sabor, dureza, brillo, etc, o extensivas, según la cantidad de materia, como el peso, volumen, etc.

Las propiedades químicas de los cuerpos se ponen de manifiesto cuando éstos se transforman en otros completamente distintos.

Especies químicas

Las especies o individuos químicos son sustancias cuya composición no sufre alteración por medio de los cambios de estado. El agua, por ejemplo, puede solidificarse o evaporarse, pero conservará siempre la misma composición química. Diremos, por lo tanto, que el agua es una sustancia homogénea y una especie química.

Mezclas y cuerpos puros

Si destinamos agua del mar en un alambique el agua recogida en el condensador no tiene ya sabor salado, pero si la aislamos después de esta operación y la sometemos a nuevos tratamientos análogos a los precedentes, se comprobará que no se obtiene una sustancia diferente del líquido inicial.

Se dice que el agua de mas constituye una mezcla y que el líquido procedente de su destilación parcial es una cuerpo puro o una especie química definida.

Caracteres de las mezclas

Una mezcla se define por los caracteres siguientes:

1. Es posible separarla en fracciones de propiedades distintas; el agua destilada es diferente del residuo que se encuentra en el alambique al final de la operación.
2. Las propiedades principales de los diversos componentes se conservan, pero las de la mezcla son intermedias; el agua del mar es líquida como el agua pura, aunque más densa y con sabor a sal.
3. Cuando se unen de nuevo las fracciones separadas se reconstituye la mezcla inicial y así el agua destilada disuelve otra vez el residuo salino y regenera el agua del mar.

Caracteres de los cuerpos puros

Los cuerpos puros tratados por métodos de separación, como la destilación, son incapaces de producir fracciones diferentes entre sí y diferentes del cuerpo primitivo. Mantienen constantes las propiedades físicas y hierven o se funden a temperaturas fijas y determinadas.

Cuerpos compuestos y cuerpos simples

La especie química agua se puede descomponer por efecto de la corriente eléctrica en dos gases, hidrógeno y oxígeno, de propiedades diferentes. Se dice que el agua es un cuerpo compuesto.

Las sustancias que, como el oxígeno o el hidrógeno, no pueden descomponerse en otros cuerpos más sencillos se denominan cuerpos simples o elementos y son constituyentes elementales de la materia.

Análisis y síntesis 

Los cuerpos compuestos, mediante el análisis, se pueden descomponer por transformaciones o reacciones químicas. El análisis es el proceso por el que se determinan e identifican los elementos o, también, las sustancias más complejas que forman un compuesto.

En algunos casos es suficiente calentar el cuerpo compuesto para analizar los constituyentes del mismo, como n el caso del óxido de mercurio, o descomponerlo por la acción de la corriente eléctrica (electrólisis), como ocurre con el agua, el cloruro de sodio fundido, etc.

Si, al analizar un compuesto, se buscan sólo los constituyentes que lo forman, se ha efectuado un análisis cualitativo. Pero éste será cuantitativo si se determinan además las proporciones que tienen los constituyentes en el compuesto.

El proceso inverso al análisis es la síntesis, es decir, la obtención de un compuesto a partir de la sustancias que lo forman. De este modo se obtiene, por ejemplo, el amoniaco a partir del nitrógeno y del hidrógeno. La síntesis tiene gran importancia en el campo industrial.

Estados de energía de las especies químicas

La teoría cuántica fue propuesta por primera vez en 1900 por Max Planck, un físico alemán, para explicar las propiedades de la radiación emitida por los cuerpos calientes. La teoría más tarde se amplió para racionalizar otros tipos de procesos de emisión y absorción. Dos importantes postulados de la teoría cuántica incluyen:

1. Los átomos, iones y moléculas sólo pueden existir en ciertos estados discretos, caracterizados por cantidades definidas de energía. Cuando una especie cambia su estado, absorbe o emite una cantidad de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre los estados.
2. Cuando los átomos, iones o moléculas absorben o emiten radiación al realizar la transición de un estado de energía a otro, la frecuencia v o la longitud de onda λ de la radiación se relaciona con la diferencia de energía entre los estados por la ecuación: E₁-E₀ = hv =hc/λ, donde E₁ es la energía del estado superior y E0 la energía del estado inferior. Los términos c y h son la velocidad de la luz y la constante de Planck, respectivamente.

Para átomos o iones en estado elemental, la energía de cualquier estado proviene del movimiento de los electrones alrededor del núcleo cargado positivamente. Consecuentemente, los distintos estados de energía se denominan estados electrónicos. Además de los estados electrónicos, las moléculas también tienen cuantizados los estados vibracionales interatómicas, y los estados rotacionales, que provienen de la rotación de las moléculas alrededor de sus centros de gravedad.

El estado de energía más bajo de un átomo o molécula es su estado fundamental. Los estados de energía superiores se denominan estados excitados. Generalmente a temperatura ambiente, las especies químicas se encuentran en su estado fundamental.   

               
                                                                         
 

QUÍMICA

Concepto, objetivo y división de la Química

La Química es la ciencia que trata de la constitución y transformación de la materia. No sólo estudia las sustancias que componen los seres vivos e inanimados, sino que se dedica también al descubrimiento de sustancias inexistentes en la naturaleza. Éstas, por sus propiedades y aplicaciones, son en muchos casos de valor incalculable. 

El primer objetivo de la Química es averiguar cómo pueden identificarse o distinguirse los materiales. Para ello no se interesa únicamente por las propiedades accidentales, como el tamaño y la forma, sino también en las propiedades específicas de la clase de materia que se encuentra en cualquier cuerpo. Así, por ejemplo, una vasija de plata y un electrodo de este metal difieren de tamaño, forma y utilidad, pero químicamente son en esencia idénticos ya que están hechos con el mismo material.

El estudio de las transformaciones de unos cuerpos en otros, conocidos con el nombre de reacciones químicas, es el segundo objeto de la Química.

Generalmente, se distinguen en Química las seis subdiviones siguientes: 1) general, que determina las leyes que rigen la interdependencia de los fenómenos químicos; 2) inorgánica, que trata de los cuerpos cuyo origen es independiente de la vida; 3) orgánica o del carbono, que comprende todas las combinaciones del carbono producidas por los seres vivos o por síntesis; 4) analítica, que estudia los métodos de reconocimiento y determinación de la composición de las sustancias; 5) biológica o Bioquímica, prolongación de la química orgánica, que analiza las reacciones en los tejidos vivos; 6) física, que introduce las medidas físicas en el estudio de las reacciones químicas.

Pueden considerarse como ramas especializadas de la Química, la Termoquímica, la Electroquímica, la Metalurgia, etc.

La existencia de campos que no pueden integrase claramente en la Química o en la Física dificulta la delimitación precisa entre estas dos ciencias.

Reseña histórica

La Química ha sido objeto de estudios desde la más remota antigüedad. Los chinos trabajaron los metales, conocieron la pólvora y elaboraron una cerámica de colores. Los egipcios purificaron los metales nobles y recurrieron a esta ciencia para embalsamar los cadáveres.Griegos y romanos explotaron minas de oro, hierro y cobre. En el siglo v a. de J.C., los filósofos griegos  LEUCIPO y DEMÓCRITO DE ABDERA establecieron las bases de la atomística.

Los árabes, durante la Edad Media, transmitieron a Occidente el legado cultural helénico y los cultivadores de esta ciencia recibieron el nombre de alquimistas. Estos conocían ya la volatilidad del azufre, las amalgamas, el sublimado corrosivo, el vitriolo y el agua regia; en los laboratorios que tenían se operaba mediante destilación, copelación, disolución, cristalización y calentamiento. Uno de los objetivos que pretendieron alcanzar los alquimistas medievales  fue el de encontrar la llamada piedra filosofal, capaz de transformar en oro cualquier otro metal, y se esforzaron también en descubrir el elixir de la vida para intentar prolongar la existencia humana por tiempo indefinido.

Los alquimistas occidentales, poco antes del Renacimiento, habían conseguido aislar el bismuto y obtener conocimientos bastantes completos acerca del antimonio, arsénico, ácido clorhídrico, ácido sulfúrico, espíritu de vino, etc. Entre los sabios más destacados se pueden citar a AVICENA (980-1037), AVERROES (1126-1198), ARNAU DE San ALBERTO MAGNO (¿1200-1280?) y Raimundo LULIO (1235-1315). Los más brillantes químicos del siglo XVI fueron PARACELSO  (1493-1541), Georg AGRICOLA (1494-1555) y el ceramista francés Bernard  PALISSY (¿1510?-1589 ó 1590).

Un nuevo concepto de la Química se desarrolló a partir del siglo XVII. Se desecharon los métodos antiguos y se adoptaron otros que dieron gran impulso a esta ciencia. Jean-Baptiste Van Helmont (1577-1644) descubrió la existencia de gases distintos de los del aire; Robert Boyle (1627-1691) estudió la presión de los gases, aisló el hidrógeno e investigó sobre los ácidos, las soluciones salinas, la acetona y el sulfato de mercurio. Junto a éstos hay que citar a los alemanes Johannes Rudolf GLAUBER (1604-1668), Hennig BRANDT, m. en 1692, Georg Brandt (1694-1782), descubridor de la alúmina, la magnesia y el manganeso y autor de un procedimiento para extraer el azúcar de la remolacha; y al sueco Axel Fredrik, barón de Cronstedt (1722-1765), quien halló el níquel y clasificó los minerales. El español Fausto de Elhúyar (1757-1833) figura también entre los científicos distinguidos de esta época, gracias a haber sabido aislar el wolframio. Por último, los británicos Joseph Black (1728-1799), Henry Cavendish (1731-1810) y Joseph Priestley (1733-1804) hicieron importantes estudios.

Descubrimientos de nuevos elementos

Los notables trabajos del francés Antonie Laurent de Lavoisier (1743-1794) dieron un nuevo rumbo a la Química moderna, en la que brillaron Humphry Davy (1778-1829), John Dalton (1766-1844), Joseph Gay-Lussac (1778-1850), Avogradro (1776-1856) y Jacob Berzelius (1778-1848). En esa época se establecieron las grandes leyes numéricas en la que se apoya la Química.

La clasificación periódica de los elementos fue fruto de los trabajos del ruso Dimitri Mendeleiev (1834-1907). A partir de entonces, y gracias también al análisis espectral, se descubrieron numerosos elementos nuevos: rubidio, cesio, talio, indio, galio, bromo, flúor, gases raros, etc.

A los nombres de Marcelin Berthelot (1827-1907), Francois Raoul (1830-1901), Jacobus Henricus Van't Hoff (1852-1911) y svante Arrhenius (1859-1927) hay que añadir e l de numerosos investigadores que, integrados en equipos, han permitido el rápido progreso de la Química nuclear. Gracias a ella se han descubierto los elementos transuránicos.

¿Qué es la Química analítica?

La Química analítica se describe a menudo como el área de la Química responsable de caracterizar la composición de la materia, tanto del punto de vista cualitativo (qué hay) como cuantitativo (cuánto hay). Esta descripción puede inducir a error. 

Después de todo, casi todos los químicos realizan mediciones cualitativas o cuantitativas de manera habitual. El objeto de la Química analítica no consiste en efectuar un análisis sistemático sobre una muestra habitual (lo que se denomina, con mayor propiedad, análisis químico), sino en mejorar los métodos establecidos, extendiendo los ya existentes a nuevos tipos de muestras y desarrollando métodos nuevos para medir los fenómenos químicos.

Otra distinción entre la Química analítica y el análisis químico es que los químicos analíticos trabajan para mejorar los métodos establecidos.

PERSPECTIVAS DE QUÍMICA #1

En la época en que el acero empezó a producirse masivamente, surge también el desarrollo vertiginoso de la química orgánica, que condujo al hombre a la explotación de uno de los recursos más importantes de nuestro tiempo: el petróleo.

 Los orígenes más remotos de la química los encontramos en la explotación de las salinas y la fabricación de colorantes, perfumes y sustancias medicinales a partir de la extracción de sustancias activas de las plantas.

Posteriormente se tiene la época alquimista, cuyo objetivo más conocido era encontrar la piedra filosofal, sustancia mágica que permitiría transmutar los metales, curar todas las enfermedades y rejuvenecer al individuo. Con esos fines, se hicieron algunas contribuciones importantes al conocimiento, como por ejemplo, el aceite de vitriolo, el cual se obtenía de vitriolo verde - compuestos, que en el lenguaje actual, son ácido sulfúrico y sulfato ferroso, respectivamente.

Pero no se puede hablar de química propiamente dicha sino a partir de los experimentos de Joseph Black y Joseph Priestley, entre 1754-1774, consistentes en la obtención de bióxido de carbono y de oxígeno, respectivamente. (Este último, mediante calentamiento del óxido rojo de mercurio.) Desde entonces , la evolución de la química hasta nuestros días ha sido vertiginosa. En ella se pueden distinguir tres etapas: la química mineral, que se inicia con la fabricación del ácido sulfúrico concentrado y el carbonato sódico; la química orgánica, que tiene como objeto de estudio el carbono, por lo que también se le denomina carboquímica, y cuyo desarrollo histórico se ubica en el siglo XlX; y ya en pleno siglo XX, la petroquímica, que consiste en el estudio sistemático del gas natural y el petróleo.

Como se mencionó antes, de la primera etapa se tiene la obtención del ácido sulfúrico a nivel industrial, que se realiza mediante la quema de azufre y nitrato de potasio en un recipiente suspendido en un gran globo de vidrio parcialmente lleno de agua. Este procedimiento se ha venido modificando hasta llegar a un proceso continuo de fabricación. El carbonato sódico necesario para la fabricación de jabones inicialmente se obtenía de las cenizas de algas marinas y posteriormente fue sujeto a un procedimiento a escala industrial, consistente en convertir la sal común en sulfato sódico mediante el tratamiento con ácido sulfúrico concentrado. Dicho procedimiento, desarrollado por Leblanc, no entró en operación hasta los albores del siglo XlX (1807).

Paralelamente, se desarrolló la industria del vidrio, dando origen a la fabricación de vidrios para lentes, microscopios, etc., de modo que el vidrio pasó de ser un objeto de lujo a un objeto de uso común. La necesidad de nuevas composiciones de vidrios pata funciones diversas obligó a que los silicatos se estudiaran de manera más sistemática.

En 1868 se inició la fabricación industrial de cloro a través del proceso ideado por el inglés Henry Beacon. En este proceso, el cloro se obtiene del ácido corhídrico gaseoso.

La segunda etapa de la carboquímica nació a principios del siglo XlX, con el surgimiento de la industria del gas para alumbrado, cuyos subproductos más importantes fueron colorantes artificiales, fármacos y perfumes, que vinieron a sustituir a los extraídos de la naturaleza.

La combustión incompleta de la hulla produce coque y alquitrán. Este último compuesto tiene una gran diversidad de derivados, que se emplean en aplicaciones igualmente variadas: el ácido fénico, de gran utilidad para desinfectar heridas e instrumental médico; la aspirina , la sacarina, sulfamidas y otras drogas de uso en medicina. La industria de los materiales plásticos y de fibras sintéticas utiliza derivados del alquitrán para producir baquelita, nylon, rayón, etc. El trinitrotolueno (TNT) es otro derivado del alquitrán.

La tercera etapa se mezcla con el final de la segunda, mediante la sustitución progresiva de la carboquímica por la petroquímica, proceso en el cual el petróleo surge como combustible alrededor de 1859, y hay que esperar hasta el siglo XX para que a partir de su destilación  se empiecen a obtener destilados como el propano, del cual a su vez se obtiene la acetona. A partir de 1920, aproximadamente, el petróleo sustituye al carbón como combustible y como materia prima en la industria química orgánica.

Si la destilación fraccionada de la hulla proporcionó al hombre tantos y tan útiles compuestos, los procesos desarrollados en la petroquímica y las soluciones a las demandas humanas obtenidas de ellas son literalmente pasmosas, sobre todo cuando un análisis a las entrañas de estos compuestos nos muestra que estamos frente a moléculas gigantes o macromoléculas, y lo impactante, lo pasmoso y a la vez lo obvio es que justamente con ellas, con las moléculas grandes, es con las que la humanidad ha vivido y se ha desarrollado desde siempre. Los organismos vivientes trabajan con macromoléculas, la natualeza misma se desarrolla mediante macromoléculas, de modo tal que parece que desde siempre nos ha estado diciendo, nos ha estado sugiriendo, que intentemos ese camino.

PRODUCTOS QUIMICOS QUE SE OBTIENEN A PARTIR DE GAS NATURAL Y PETROLEO

¿De dónde provienen los productos químicos industriales? El gas natural y el petróleo son las principales fuentes de obtención. A partir de ellos se obtienen siete productos principales que constituyen el fundamento de la química orgánica industrial. Estos son: etileno, propileno, los butilenos, benceno, tolueno, los xilenos y el metano. Las olefinas: etileno, propileno y los butilenos, se obtienen tanto del gas natural como del petróleo. Los aromáticos, o sea benceno, tolueno y xileno se obtienen a partir del petróleo y en cantidades mucho menores del carbón. El metano proviene del gas natural.

Las olefinas se obtienen del gas natural y del petróleo dependiendo de la disponibilidad de gas natural y de la demanda de gasolina en las diversas naciones. Las naftas ligeras y pesadas son fracciones del petróleo que se pueden someter a procesos de desintegración para obtener olefinas. También pueden emplearse para gasolina.

Otra fuente de productos químicos, aunque de menor importancia, es el carbón. El carbón ha sido muy importante en la historia de la humanidad y gran parte del progreso de la industria química antes de la segunda guerra mundial, se debió a la disponibilidad de carbón. W.H.Perkin, famoso químico inglés, puede ser considerado como fundador de la industria química orgánica. En 1856 sintetizó un colorante malva a partir de intermediarios del alquitrán de hulla. El colorante de Perkin tuvo tal importancia, que su tonalidad dio nombre a un período de la literatura denominada década "malva".

El carbón perdió importancia con la llegada de los productos petroquímicos. Las reservas de carbón son mayores que las del petróleo. Se considera que al agotarse las reservas de este último, el carbón recobrará su importancia, aunque surge la interrogante de si será una alternativa realista.

La tercera fuente de productos orgánicas son un grupo de sustancias naturales y renovables, de las cuales las más importantes son: grasas, aceites y carbohidratos.

En el tercer grupo también hay productos naturales menos conocidos que contribuyen a ramas muy especializadas de la industria química. Algunos ejemplos son los esteroles, alcaloides, fosfátidos, rosina, goma laca y otras "gomas" como la goma arábiga.