1.1: La química en contexto
HABILIDADES PARA DESARROLLAR
- Describir el desarrollo histórico de la química
- Dar ejemplos de la importancia de la química en la vida cotidiana
- Describir el método científico
- Diferenciar entre hipótesis, teorías, y leyes
- Dar ejemplos que ilustran dominios macroscópicos, microscópicos, y simbólicos
A lo largo de la historia humana, las personas han tratado de convertir la materia a formas más útiles. Nuestros ancestros de la Edad de Piedra convirtieron pedazos de roca pedernal a herramientas útiles y esculpieron madera en forma de estatuas y juguetes. Estos esfuerzos involucran el cambio de la forma de una sustancia sin cambiar la sustancia real. Pero con el aumento de nuestro conocimiento, los humanos también empezaron a cambiar la composición de las sustancias: la arcilla se convertía en alfarería, las pieles se curaban para hacer prendas, los minerales de cobre se transformaban en herramientas y armas de cobre, y con el grano se hizo el pan.
Los humanos comenzaron a practicar la química cuando aprendieron a controlar el fuego y a usarlo para cocinar, hacer cerámica, y fundir metales. Luego, comenzaron a separar y utilizar los componentes específicos de la materia. Una variedad de fármacos como el áloe, la mirra, y el opio se aislaron de las plantas. Los tintes, como el índigo y la púrpura de Tiro, se extrajeron de materia vegetal y animal. Los metales se combinaron para formar aleaciones (por ejemplo, el cobre y el estaño se mezclaron para formar el bronce) y las técnicas de fundición más elaboradas produjeron el hierro. Los álcalis se extrajeron de las cenizas y los jabones se prepararon combinando estos álcalis con grasas. El alcohol se hizo por fermentación y se purificó por destilación.
Los intentos por comprender el comportamiento de la materia se remontan a más de 2500 años. En el siglo VI antes de Cristo, los filósofos griegos discutían un sistema en el cual el agua era la base de todas las cosas. Es posible que haya oído hablar del postulado griego de que la materia consiste en cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Luego, los alquimistas difundieron una fusión de tecnologías químicas y especulaciones filosóficas desde Egipto, China, y el Mediterráneo oriental, que intentaron transformar “metales básicos” como el plomo en “metales nobles” como el oro, y crear elixires para curar enfermedades y extender la vida (Figura \(\PageIndex{1}\)).
De la alquimia vinieron las progresiones históricas que llevaron a la química moderna: el aislamiento de las drogas de las fuentes naturales, la metalurgia y la industria del tinte. Hoy en día, la química continúa profundizando nuestra comprensión y mejorando nuestra capacidad para aprovechar y controlar el comportamiento de la materia. Este esfuerzo ha tenido tanto éxito que muchas personas no se dan cuenta de la posición central de la química entre las ciencias o de la importancia y universalidad de la química en la vida cotidiana.
Química: La ciencia central
La química se conoce a veces como "la ciencia central" debido a su interconexión con una amplia gama de otras disciplinas STEM (STEM significa áreas de estudio en los campos de la ciencia, la tecnología, la ingeniería y las matemáticas). La química y el lenguaje de los químicos son muy importantes en la biología, la medicina, la ciencia de los materiales, la ciencia forense, la ciencia ambiental y muchos otros campos (Figura \(\PageIndex{2}\)). Los principios básicos de la física son esenciales para comprender muchos aspectos de la química, y existe una amplia superposición entre muchas subdisciplinas dentro de los dos campos, como la física química y la química nuclear. Las matemáticas, la informática y la teoría de la información nos dan herramientas importantes que nos ayudan a calcular, interpretar, describir y, en general, dar sentido al mundo químico. La biología y la química convergen en la bioquímica, que es crucial para comprender los muchos factores y procesos complejos que mantienen vivos a los organismos vivos (como nosotros). La ingeniería química, la ciencia de los materiales y la nano tecnología combinan principios químicos y hallazgos empíricos para producir sustancias útiles, desde la gasolina hasta los tejidos y la electrónica. La agricultura, la ciencia de los alimentos, la ciencia veterinaria, la elaboración de cerveza, y la elaboración de vinos ayudan a proporcionar sustento en forma de alimentos y bebidas para la población mundial. La medicina, la farmacología, la biotecnología y la botánica identifican y producen sustancias que nos ayudan a mantenernos saludables. La ciencia ambiental, la geología, la oceanografía y la ciencia atmosférica incorporan muchas ideas químicas para ayudarnos a comprender y proteger mejor nuestro mundo físico. Las ideas químicas se utilizan para ayudar a entender el universo en astronomía y cosmología.
¿Cuáles son algunos cambios en la materia que son esenciales para la vida diaria? Algunos ejemplos son digerir y asimilar alimentos, sintetizar polímeros que se usan para hacer ropa, recipientes, utensilios de cocina, tarjetas de crédito, y la refinación del petróleo crudo a gasolina y otros productos. Avanzando en este curso, descubrirá muchos ejemplos diferentes de cambios en la composición y estructura de la materia, cómo clasificar estos cambios y cómo ocurrieron, sus causas, los cambios en la energía que los acompañan y los principios y las leyes involucradas. Mientras aprende sobre estas cosas, aprenderá sobre la química, el estudio de la composición, y las propiedades y interacciones de la materia. La práctica de la química no se limita a los libros o laboratorios de química: sucede cuando alguien está involucrado en cambios en la materia o en condiciones que pueden llevar a tales cambios.
El método científico
La química es una ciencia basada en la observación y la experimentación. Hacer química involucra intentar responder preguntas y explicar observaciones en términos de las leyes y las teorías de la química. También involucra utilizando procedimientos aceptados por la comunidad científica. No hay una sola ruta para responder una pregunta o para explicar una observación, pero hay un aspecto común en cada enfoque: cada enfoque utiliza el conocimiento basado en experimentos que se pueden reproducir para verificar los resultados. Algunas rutas involucran una hipótesis, una explicación tentativa de las observaciones que actúa como una guía para recopilar y verificar información. Probamos una hipótesis a través de la experimentación, cálculo y / o la comparación con los experimentos de otros y luego la refinamos según sea necesario.
Algunas hipótesis son intentos de explicar el comportamiento que se resume en las leyes. Las leyes de la ciencia resumen una gran cantidad de observaciones experimentales y describen o predicen alguna faceta del mundo natural. Si tal hipótesis resulta ser capaz de explicar un gran número de datos experimentales, puede alcanzar el estado de una teoría. Las teorías científicas son explicaciones fundamentadas, exhaustivas y comprobables de aspectos particulares de la naturaleza. Se aceptan las teorías porque proporcionan explicaciones satisfactorias, pero se pueden modificar si hay nuevos datos disponibles. El camino del descubrimiento que empieza con la pregunta y la observación y sigue con la ley o la hipótesis a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría, se llama el método científico. (Figura \(\PageIndex{3}\)).
Los dominios de la química
Los químicos estudian y describen el comportamiento de la materia y la energía en tres dominios diferentes: macroscópico, microscópico y simbólico. Estos dominios proporcionan diferentes formas de considerar y describir el comportamiento químico.
Macro es una palabra griega que significa "grande". El dominio macroscópico es familiar: es el reino de las cosas cotidianas que son lo suficientemente grandes como para ser percibidas directamente por la vista o el tacto humano. En la vida diaria, esto incluye los alimentos que come y la brisa que siente en su cara. El dominio macroscópico incluye la química diaria y de laboratorio, donde observamos y medimos las propiedades físicas y químicas, o cambios como la densidad, la solubilidad y la inflamabilidad.
El dominio microscópico de la química es casi siempre visitado en la imaginación. Micro también viene del griego y significa "pequeño". Algunos aspectos de los dominios microscópicos son visibles a través de un microscopio, como una imagen ampliada de grafito o bacterias. Los virus, por ejemplo, son demasiado pequeños para ser vistos a simple vista, pero cuando estamos sufriendo un resfriado, recordamos lo reales que son.
Sin embargo, la mayoría de los sujetos en el dominio microscópico de la química, como los átomos y las moléculas, son demasiado pequeños para ser vistos incluso con microscopios estándar y, a veces, se deben representar en la mente. Otros componentes del dominio microscópico incluyen iones y electrones, protones y neutrones, y enlaces químicos, cada uno de los cuales es demasiado pequeño para ver. Este dominio incluye los átomos de metal individuales en un cable, los iones que componen un cristal de sal, los cambios en las moléculas individuales que resultan en un cambio de color, la conversión de moléculas de nutrientes a tejido y energía, y la evolución del calor como enlaces que mantienen los átomos juntos.
El dominio simbólico contiene el lenguaje especial utilizado para representar los componentes de los dominios macroscópicos y microscópicos. Los símbolos químicos (como los símbolos utilizados en la tabla periódica), las fórmulas químicas y las ecuaciones químicas forman parte del dominio simbólico, al igual que los gráficos y los dibujos. También podemos considerar los cálculos como parte del dominio simbólico. Estos símbolos son importantes en la química porque ayudan a interpretar el comportamiento del dominio macroscópico en términos de los componentes del dominio microscópico. Uno de los desafíos para los estudiantes que aprenden química es reconocer que los mismos símbolos pueden representar diferentes cosas en los dominios macroscópicos y microscópicos. También, una de las características que hace que la química sea fascinante es el uso de un dominio imaginado para explicar el comportamiento de un dominio que puede ser observado.
Una forma útil de entender los tres dominios es a través de la sustancia esencial y ubicua del agua. El agua es un líquido a temperaturas moderadas, se congela para formar un sólido a temperaturas más bajas y se hierve para formar un gas a temperaturas más altas (Figura \(\PageIndex{4}\)) son observaciones macroscópicas. Pero algunas propiedades del agua caen en el dominio microscópico, lo que no podemos observar a simple vista. La descripción del agua como compuesta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, y la explicación de la congelación y la ebullición en términos de atracciones entre estas moléculas, se encuentra dentro del dominio microscópico. La fórmula H 2 O, que puede describir el agua a nivel macroscópico o microscópico, es un ejemplo del dominio simbólico. Las abreviaturas (g) para gas, (s) para sólido y (l) para líquido también son simbólicas.
Conceptos clave y el resumen
La química tiene que ver con la composición, estructura y propiedades de la materia, y las formas en que se pueden interconvertir varias formas de materia. Así, ocupa un lugar central en el estudio y la práctica de la ciencia y la tecnología. Los químicos utilizan el método científico para realizar experimentos, plantear hipótesis y formular leyes y desarrollar teorías, de modo que puedan comprender mejor el comportamiento del mundo natural. Para hacerlo, operan en los dominios macroscópico, microscópico y simbólico. Los químicos miden, analizan, purifican y sintetizan una amplia variedad de sustancias que son importantes para nuestras vidas.
Glosario
Química
Estudio de la composición, propiedades e interacciones de la materia.
Hipótesis
Explicación tentativa de las observaciones que sirve de guía para recopilar y verificar información.
Ley
Declaración que resume una gran cantidad de observaciones experimentales y describe o predice algún aspecto del mundo natural.
Dominio Macroscópico
El reino de las cosas cotidianas es lo suficientemente grande como para ser detectado directamente por la vista y el tacto humano.
Dominio Microscópico
Reino de las cosas que son demasiado pequeñas para ser percibidas directamente.
Método Científico
El camino del descubrimiento que conduce de la pregunta y la observación a la ley o la hipótesis a la teoría, combinado con la verificación experimental de la hipótesis y cualquier modificación necesaria de la teoría.
Dominio Simbólico
Lenguaje especializado utilizado para representar componentes de los dominios macroscópicos y microscópicos, como símbolos químicos, fórmulas químicas, ecuaciones químicas, gráficos, dibujos y cálculos.
Teoría
Explicación comprobada, completa y comprobada de un aspecto particular de la naturaleza.
Contribuyentes
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Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
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Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.