Fundamentos de Química: Conceptos Esenciales

Este documento recopila y define los principios y términos fundamentales de la química, abarcando desde las leyes básicas que rigen la materia hasta los conceptos clave de estequiometría y disoluciones. Es una referencia concisa para comprender los pilares de esta ciencia.

Leyes Fundamentales de la Química

Ley de Conservación de la Materia (Lavoisier)

En una reacción química, no se produce un cambio apreciable en la cantidad total de materia. Esto implica que la masa de los reactivos es igual a la masa de los productos de la reacción.

Ley de las Proporciones Definidas (Proust)

Un compuesto químico puro contiene siempre los mismos elementos en las mismas proporciones de masa, independientemente de su origen o método de preparación.

Ley de las Proporciones Múltiples (Dalton)

Si dos elementos se combinan para formar más de un compuesto, las masas de uno de los elementos que se combinan con una masa fija del otro elemento están en una relación de números enteros sencillos.

Ley de las Proporciones Recíprocas (Richter)

Las masas de dos elementos diferentes que se combinan con una misma masa de un tercer elemento guardan la misma relación que las masas de los dos primeros elementos cuando se combinan entre sí, o bien múltiplos y submúltiplos de estas masas.

Clasificación de la Materia

Sustancia Pura

Es aquella forma de materia que posee propiedades físicas y químicas definidas y una composición constante. Puede ser descompuesta en otras sustancias más simples mediante procesos fisicoquímicos. Ejemplos: hierro, oro, sal común (cloruro de sodio).

Elemento

Es una sustancia pura que no puede descomponerse en otras sustancias químicamente más simples por ningún método químico conocido. Está compuesto por un solo tipo de átomo. Ejemplos: hierro (Fe), oro (Au), azufre (S).

Compuesto

Es una sustancia pura que se forma al combinarse químicamente dos o más elementos diferentes en proporciones fijas y definidas. Sus propiedades son distintas a las de los elementos que lo componen. Ejemplos: sal común (NaCl), azúcar (C₁₂H₂₂O₁₁).

Fórmulas Químicas

Fórmula Empírica

Expresa la proporción mínima de átomos de cada elemento que forman un compuesto. Representa la relación más sencilla de los átomos. Ejemplo: CH₃ para el etano (C₂H₆).

Fórmula Molecular

Indica el número real y exacto de átomos de cada elemento presentes en una molécula de un compuesto. Es un múltiplo entero de la fórmula empírica. Ejemplo: C₂H₆ para el etano.

Fórmula Semidesarrollada

Representación que muestra la secuencia de los átomos de carbono en una cadena y los átomos de hidrógeno y otros elementos unidos a cada carbono, pero sin detallar todos los enlaces individuales. Se utiliza principalmente para compuestos orgánicos.

Fórmula Desarrollada

Representación gráfica que muestra todos los átomos de una molécula y todos los enlaces que los unen, indicando la conectividad y, a veces, la geometría espacial.

Conceptos de Masa y Cantidad de Sustancia

Unidad de Masa Atómica (UMA)

Es la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12 (¹²C). Se utiliza para expresar las masas de átomos y moléculas.

Masa Atómica

Es la masa de un átomo individual, generalmente expresada en unidades de masa atómica (UMA). Se refiere a la masa de un isótopo específico de un elemento.

Masa Atómica Relativa (Ar)

Indica cuántas veces la masa promedio de los átomos de un elemento (considerando la abundancia de sus isótopos) está contenida en la unidad de masa atómica. Es adimensional, ya que es un cociente de dos masas.

Masa Molecular

Es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que componen una molécula. Se expresa en unidades de masa atómica (UMA).

Masa Molar

Es la masa de un mol de una sustancia, expresada en gramos por mol (g/mol). Numéricamente, coincide con la masa atómica o molecular, pero sus unidades son diferentes.

Mol

Es la unidad del Sistema Internacional para la cantidad de sustancia. Un mol de cualquier sustancia contiene el número de Avogadro (aproximadamente 6.022 x 10²³) de entidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.).

Leyes de los Gases Ideales

Ley de Boyle

Establece que, a temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que ejerce. Su expresión matemática es: P · V = constante.

Ley de Charles y Gay-Lussac

Describe la relación entre el volumen y la temperatura de un gas a presión constante (V = constante · T), y la relación entre la presión y la temperatura de un gas a volumen constante (P = constante · T). En ambas, la temperatura debe expresarse en Kelvin.

Ley de Avogadro

A la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de moléculas (o átomos, si son gases monoatómicos).

Gas Ideal

Es un modelo teórico de gas en el que el volumen ocupado por las moléculas del gas es despreciable frente al volumen del recipiente que las contiene, y no existen fuerzas de atracción o repulsión entre ellas. A bajas presiones y temperaturas moderadas, cualquier gas se comporta como ideal; sin embargo, a altas presiones y bajas temperaturas, el gas se aleja de la idealidad.

Ley de Dalton sobre las Presiones Parciales

La presión total ejercida por una mezcla de gases no reactivos es igual a la suma de las presiones parciales de los gases que constituyen la mezcla.

Disoluciones y Concentraciones

Disolución

Es una mezcla homogénea de dos o más sustancias, donde una (el soluto) se dispersa uniformemente en otra (el disolvente). Posee las mismas propiedades fisicoquímicas en todos sus puntos.

Solubilidad de una Sustancia

Es la cantidad máxima de una sustancia (soluto) que puede disolverse en una cantidad dada de disolvente (comúnmente 100 g de agua) a una temperatura específica. También se define como la máxima concentración posible de un soluto en un disolvente. Una disolución se considera saturada cuando ha alcanzado esta cantidad máxima de soluto.

Concentración

Es una relación que expresa la cantidad de soluto presente en una cantidad determinada de disolución o, excepcionalmente, de disolvente. Existen diversas formas de expresarla:

Tipos de Concentración

• Porcentaje en Masa (% m/m): Relación entre la masa de soluto y la masa total de la disolución, multiplicada por 100. Representa los gramos de soluto contenidos en 100 gramos de disolución.
• Molaridad (M): Es la relación entre los moles de soluto y el volumen de la disolución, expresado en litros (mol/L). También se denomina concentración molar.
• Normalidad (N): Es la relación entre el número de equivalentes del soluto y el volumen de la disolución, expresado en litros (eq/L).
  • Número de Equivalentes: Es la relación entre la masa del soluto y su masa equivalente.
  • Masa Equivalente: Es la masa molar de una sustancia dividida por un valor que depende de su valencia, del número de iones H⁺ o OH^– que puede ceder o aceptar, o del número de electrones transferidos en una reacción redox.
• Molalidad (m): Es la relación entre los moles de soluto y los kilogramos del disolvente (mol/kg).
• Fracción Molar (X_i): Es el número de moles de un componente i de una mezcla (n_i) referido al total de moles de todos los componentes (n_soluto + n_disolvente + …). Corresponde al tanto por uno en moles.

Estequiometría y Reacciones Químicas

Reactivo

Sustancia química que participa en una reacción y se consume o transforma para dar lugar a nuevos productos.

Producto

Sustancia que se forma como resultado de la transformación de los reactivos en una reacción química.

Reactivo Limitante

Es aquel reactivo que se consume completamente en una reacción química, determinando la cantidad máxima de producto que puede formarse. Una vez agotado, la reacción se detiene.

Rendimiento

Es la relación entre la cantidad real de producto obtenida en una reacción química y la cantidad teórica máxima que podría obtenerse, expresada generalmente como porcentaje (Rendimiento = (Cantidad real / Cantidad teórica) x 100%).

Pureza

Es la proporción de sustancia pura presente en una muestra impura, expresada generalmente como porcentaje (Pureza = (Masa de sustancia pura / Masa total de la muestra) x 100%).