Fundamentos de Química y Reactivos

1. Qué estudia la química

La química es la ciencia que estudia la materia: su composición, estructura, propiedades y los cambios que experimenta en las reacciones químicas. La materia es todo lo que tiene masa y volumen, es decir, ocupa un lugar en el espacio.

2. Átomos, elementos y partículas subatómicas

La materia está formada por átomos. Un elemento químico es un tipo de átomo definido por su número de protones y por sus propiedades físicas y químicas. El átomo es la unidad más pequeña de la materia que conserva las propiedades de un elemento.

Partículas subatómicas

• Protón: está en el núcleo, tiene carga positiva.
• Neutrón: está en el núcleo, no tiene carga.
• Electrón: rodea el núcleo en orbitales, tiene carga negativa.

Ideas importantes

• El núcleo concentra casi toda la masa del átomo.
• Los electrones están en la zona externa, en orbitales.
• Existen 118 elementos químicos, de los cuales 94 se encuentran en la naturaleza y el resto han sido creados artificialmente.

Bioelementos primarios

Los seis bioelementos primarios que constituyen alrededor del 96% de la materia viva son: C, H, O, N, P y S.

3. Valencia y estado de oxidación

No son lo mismo:

• Estado de oxidación: indica el número de electrones que un átomo pone en juego al formar un compuesto. Tiene signo: positivo si pierde electrones o los comparte con un átomo más electronegativo, y negativo si gana electrones.
• Valencia: indica el número de electrones que un átomo gana, pierde o comparte al unirse con otro para formar moléculas.

Trampa típica: decir que valencia y estado de oxidación son exactamente lo mismo. Falso.

4. Compuestos y enlaces químicos

Los compuestos químicos están formados por dos o más elementos diferentes unidos por enlaces químicos.

Tipos de enlaces

• Enlace covalente: Se forma cuando dos átomos comparten electrones para alcanzar mayor estabilidad. Da lugar a moléculas. Ejemplo: CO₂.
• Enlace iónico: Se forma cuando hay transferencia de electrones de un átomo a otro, generando un anión y un catión. La atracción entre cargas opuestas forma el enlace. No da lugar a moléculas aisladas, sino a redes cristalinas. Ejemplo: NaCl.
• Enlace metálico: Se forma entre elementos metálicos. Los electrones quedan como una nube electrónica entre núcleos positivos. Ejemplo: cobre de un cable eléctrico.

Fuerzas intermoleculares

Además de los enlaces, existen fuerzas de atracción entre moléculas. Tienen menor energía que los enlaces iónico y covalente.

• Fuerzas de Van der Waals: dipolo-dipolo (fuerzas de Keesom), dipolo-dipolo inducido (fuerzas de Debye), dipolo inducido-dipolo instantáneo (fuerzas de London).
• Puentes de hidrógeno: son más energéticos que Van der Waals pero menos que los enlaces iónicos y covalentes. Se observan cuando intervienen átomos muy electronegativos como F, O, N y Cl junto con H.

5. Sistemas materiales

Un sistema material es una porción de materia cuya composición y propiedades se estudian de forma aislada.

Sustancias puras

Una sustancia pura está formada exclusivamente por un tipo de átomo o de molécula. Tiene composición y propiedades físicas y químicas invariables.

• Elementos: formados por una sola clase de átomos. No pueden descomponerse en sustancias más simples ni por procedimientos químicos ni físicos.
• Compuestos puros: formados por un solo tipo de molécula, con dos o más elementos combinados en proporciones fijas. Pueden separarse por métodos químicos, pero no físicos.

Mezclas

Una mezcla es la combinación de dos o más sustancias puras sin que ocurra reacción química entre ellas.

Mezclas heterogéneas según tamaño de partícula

• Dispersiones macroscópicas o groseras: Partículas mayores de 50 μm, visibles a simple vista.
• Dispersiones finas: Partículas entre 0,1 μm y 50 μm. Visibles al microscopio.
• Dispersiones coloidales o coloides: Partículas entre 0,001 μm y 0,1 μm. Son el límite entre sistemas homogéneos y heterogéneos.

6. Cambios físicos y químicos

• Cambios físicos: Afectan a las propiedades físicas de la materia, pero no cambian su composición.
• Cambios químicos: Afectan a las propiedades químicas y producen nuevas sustancias mediante reacciones químicas.

7. Reacciones químicas

Una reacción química es un proceso en el que unas sustancias, los reactivos, se transforman en otras nuevas, los productos, con rotura y formación de enlaces químicos. Se expresan con ecuaciones químicas: Reactivos → Productos.

8. Velocidad de reacción

La velocidad de reacción mide la rapidez con la que los reactivos se transforman en productos. Se basa en la Teoría de las colisiones.

Factores que aumentan la velocidad de reacción

• Temperatura.
• Concentración de reactivos.
• Superficie de contacto en sólidos.
• Catalizadores.

9. Energía de las reacciones

• Reacciones exotérmicas: liberan energía al medio (ΔH negativa).
• Reacciones endotérmicas: absorben energía del medio (ΔH positiva).

10. Leyes fundamentales de la química

• Ley de conservación de la masa (Lavoisier): La masa ni se crea ni se destruye.
• Ley de las proporciones definidas (Proust): Un compuesto químico siempre contiene los mismos elementos en la misma proporción en masa.
• Ley de las proporciones múltiples (Dalton): Cuando dos elementos forman compuestos diferentes, las masas de uno que se combinan con una masa fija del otro guardan una relación de números enteros sencillos.

11. Productos químicos y reactivos

Los productos químicos son sustancias producidas por métodos químicos que se usan en el laboratorio con un fin concreto. Los reactivos químicos son sustancias que se emplean para medir, detectar o crear otras sustancias.

12. Pureza de los reactivos

El grado de pureza o riqueza indica el nivel de impurezas que presenta un reactivo. Los grados de calidad incluyen: Grado reactivo, Grado analítico ACS, Grado analítico ISO y Grado HPLC.

13. Agua de laboratorio

El agua en laboratorio se usa para limpieza, como disolvente o como reactivo. Se purifica mediante destilación, ósmosis inversa o desionización.

Disoluciones y diluciones

1. Qué es una disolución

Una disolución es una mezcla homogénea de dos o más componentes: disolvente (mayor proporción) y soluto (menor proporción).

2. Solubilidad

Es la capacidad de una sustancia para disolverse en otra. Factores: naturaleza del soluto/disolvente, temperatura y presión.

3. Concentración

Formas de expresar la cantidad de soluto: diluida, concentrada, saturada y sobresaturada.

4. Propiedades coligativas

Dependen solo de la cantidad de partículas de soluto: punto de congelación, punto de ebullición y presión osmótica.

5. Unidades de concentración

• Físicas: % p/p, % v/v, % p/v, ppm, densidad.
• Químicas: Molaridad (M), Molalidad (m), Fracción molar, Normalidad.

6. Preparación de disoluciones y diluciones

La ecuación fundamental de una dilución es: Ci · Vi = Cf · Vf.

El factor de dilución (F) indica cuántas veces es menor la concentración de la disolución diluida respecto a la inicial.