1.1: Por qué estudiar química

La química es la rama de la ciencia que se ocupa de la estructura, composición, propiedades y características reactivas de la materia. La materia es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio. Así, la química es el estudio de literalmente todo lo que nos rodea —los líquidos que bebemos, los gases que respiramos, la composición de todo, desde la funda de plástico de tu teléfono hasta la tierra bajo tus pies. Además, la química es el estudio de la transformación de la materia. El petróleo crudo se transforma en productos petrolíferos más útiles como la gasolina y el queroseno mediante el proceso de refinación. Algunos de estos productos se transforman aún más en plásticos. Los minerales de metal crudo se transforman en metales, que luego se pueden formar en todo, desde papel de aluminio hasta automóviles. Los fármacos potenciales se identifican a partir de fuentes naturales, se aíslan y luego se preparan en el laboratorio. Sus estructuras se modifican sistemáticamente para producir los productos farmacéuticos que han dado lugar a grandes avances en la medicina moderna. La química está en el centro de todos estos procesos y los químicos son las personas que estudian la naturaleza de la materia y aprenden a diseñar, predecir y controlar estas transformaciones químicas. Dentro de las ramas de la química encontrarás varias subdivisiones aparentes. La química inorgánica, históricamente, se centró en los minerales y metales que se encuentran en la tierra, mientras que la química orgánica trató con compuestos que contenían carbono que se identificaron por primera vez en los seres vivos La bioquímica es una consecuencia de la aplicación de la química orgánica a la biología y se relaciona con la base química de los seres vivos. En los capítulos posteriores de este texto exploraremos la orgánica y la bioquímica con un poco más de detalle y notarás ejemplos de compuestos orgánicos dispersos por todo el texto. Hoy en día, las líneas entre los diversos campos se han difuminado significativamente y se espera que un químico contemporáneo tenga un amplio trasfondo en todas estas áreas.

En este capítulo discutiremos algunas de las propiedades de la materia, cómo los químicos miden esas propiedades e introduciremos parte del vocabulario que se utiliza a lo largo de la química y las demás ciencias físicas.

Empecemos con la materia. La materia se define como cualquier sustancia que tenga masa. Es importante distinguir aquí entre peso y masa. El peso es el resultado de la atracción de la gravedad sobre un objeto. En la Luna, un objeto pesará menos que el mismo objeto en la Tierra porque la atracción de la gravedad es menor en la Luna. La masa de un objeto, sin embargo, es una propiedad inherente de ese objeto y no cambia, independientemente de su ubicación, atracción gravitacional, o lo que sea. Se trata de una propiedad que depende únicamente de la cantidad de materia dentro del objeto.

Las teorías contemporáneas sugieren que la materia está compuesta por átomos. Los átomos mismos se construyen a partir de neutrones, protones y electrones, junto con una matriz cada vez mayor de otras partículas subatómicas. Nos centraremos en el neutrón, una partícula que no tiene carga, el protón, que lleva una carga positiva, y el electrón, que tiene una carga negativa. Los átomos son increíblemente pequeños. Para darte una idea del tamaño de un átomo, un solo penique de cobre contiene aproximadamente 28,000,000,000,000,000,000 de átomos (eso es 28 sextillones). Debido a que los átomos y las partículas subatómicas son tan pequeños, su masa no se mide fácilmente usando libras, onzas, gramos o cualquier otra escala que usaríamos en objetos más grandes. En cambio, la masa de átomos y partículas subatómicas se mide usando unidades de masa atómica (abreviadas amu). La unidad de masa atómica se basa en una escala que relaciona la masa de diferentes tipos de átomos entre sí (utilizando la forma más común del elemento carbono como estándar). La escala amu nos da un medio conveniente para describir las masas de los átomos individuales y para hacer mediciones cuantitativas relativas a los átomos y sus reacciones. Dentro de un átomo, tanto el neutrón como el protón tienen una masa de una amu; el electrón tiene una masa mucho menor (aproximadamente 0.0005 amu).

Figura 1.2: Los átomos son increíblemente pequeños. Los átomos son increíblemente pequeños. Para darte una idea del tamaño de un átomo, un solo penique de cobre contiene aproximadamente 28,000,000,000,000,000,000 de átomos (eso es 28 sextillones).

La teoría atómica sitúa al neutrón y al protón en el centro del átomo en el núcleo. En un átomo, el núcleo es muy pequeño, muy denso, lleva una carga positiva (de los protones) y contiene prácticamente toda la masa del átomo. Los electrones se colocan en una nube difusa que rodea el núcleo. La nube de electrones lleva una carga neta negativa (de la carga sobre los electrones) y en un átomo neutro siempre hay tantos electrones en esta nube como protones en el núcleo (las cargas positivas en el núcleo están equilibradas por las cargas negativas de los electrones, haciendo que el átomo sea neutro).

Un átomo se caracteriza por el número de neutrones, protones y electrones que posee. Hoy en día, reconocemos al menos 116 tipos diferentes de átomos, cada tipo teniendo un número diferente de protones en su núcleo. Estos diferentes tipos de átomos se denominan elementos. El elemento neutro hidrógeno (el elemento más ligero) siempre tendrá un protón en su núcleo y un electrón en la nube que rodea al núcleo. El elemento helio siempre tendrá dos protones en su núcleo. Es el número de protones en el núcleo de un átomo lo que define la identidad de un elemento. Sin embargo, los elementos pueden tener diferentes números de neutrones en su núcleo. Por ejemplo, existen núcleos estables de helio que contienen uno, o dos neutrones (pero todos tienen dos protones). Estos diferentes tipos de átomos de helio tienen diferentes masas (3 o 4 amu) y se les llama isótopos. Para cualquier isótopo dado, la suma de los números de protones y neutrones en el núcleo se denomina número de masa. Todos los elementos existen como una colección de isótopos, y la masa de un elemento que utilizamos en química, la masa atómica, es el promedio de las masas de estos isótopos. Para el helio, hay aproximadamente un isótopo de Helio-3 por cada millón de isótopos de Helio-4, de ahí que la masa atómica promedio sea muy cercana a 4 (4.002602).

A medida que se descubrieron y nombraron diferentes elementos, se desarrollaron abreviaturas de sus nombres para permitir una cómoda taquigrafía química. La abreviatura de un elemento se llama su símbolo químico. Un símbolo químico consiste en una o dos letras, y la relación entre el símbolo y el nombre del elemento es generalmente aparente. Así el helio tiene el símbolo químico He, el nitrógeno es N y el litio es Li. A veces el símbolo es menos aparente pero es descifrable; el magnesio es Mg, el estroncio es Sr y el manganeso es Mn. Los símbolos para elementos que se conocen desde la antigüedad, sin embargo, a menudo se basan en nombres latinos o griegos y aparecen algo oscuros de sus nombres ingleses modernos. Por ejemplo, el cobre es Cu (de cuprum), la plata es Ag (de argentum), el oro es Au (de aurum) y el hierro es (Fe de ferrum). A lo largo de tu estudio de química, utilizarás rutinariamente símbolos químicos y es importante que comiences el proceso de aprendizaje de los nombres y símbolos químicos para los elementos comunes. Para cuando completes Química General, encontrarás que eres experto en nombrar e identificar prácticamente todos los 116 elementos conocidos. ¡La Tabla 1.1 contiene una lista inicial de elementos comunes que deberías comenzar a aprender ahora!

Tabla 1.1: Nombres y Símbolos Químicos para Elementos Comunes

Element	Símbolo Químico	Element	Símbolo Químico
Hidrógeno	H	Fosforo	P
Helio	Él	Azufre	S
Litio	Li	Cloro	Cl
Berilio	Be	Argón	Ar
Boro	B	Potasio	K
Carbono	C	Calcio	Ca
Nitrógeno	N	Hierro	Fe
Oxígeno	O	Cobre	Cu
Flúor	F	Zinc	Zn
Neón	Ne	Bromo	Br
Sodio	Na	Plata	Ag
Magnesio	Mg	Yodo	I
Aluminio	Al	Oro	Au
Silicio	Si	Plomo	Pb

El símbolo químico de un elemento a menudo se combina con información sobre el número de protones y neutrones en un isótopo particular de ese átomo para dar el símbolo atómico. Para escribir un símbolo atómico, comienzas con el símbolo químico, luego escribes el número atómico para el elemento (el número de protones en el núcleo) como subíndice, precediendo al símbolo químico. Directamente por encima de esto, como superíndice, ahora escribe el número de masa para el isótopo, es decir, el número total de protones y neutrones en el núcleo. Así, para el helio, el número atómico es 2 y hay dos neutrones en el núcleo para el isótopo más común que hace el símbolo atómico${\ displaystyle {} _ {2} ^ {4} {\ text {Él}}}$. En la definición de la unidad de masa atómica, el “isótopo más común del carbono”,${\ displaystyle {} _ {6} ^ {12} {\ text {C}}}$, se define como tener una masa de exactamente 12 amu y las masas atómicas de los elementos restantes se basan en sus masas relativas a este isótopo. El cloro (símbolo químico Cl) consiste en dos isótopos principales, uno con 18 neutrones (el más común, que comprende 75.77% de átomos de cloro naturales) y uno con 20 neutrones (el 24.23% restante). El número atómico de cloro es 17 (tiene 17 protones en su núcleo), por lo tanto los símbolos químicos para los dos isótopos son${\ displaystyle {} _ {17} ^ {35} {\ text {Cl}}}$y${\ displaystyle {} _ {17} ^ {37} {\ text {Cl}}}$.

Cuando se dispone de datos sobre la abundancia natural de diversos isótopos de un elemento, es sencillo calcular la masa atómica promedio. En el ejemplo anterior,${\ displaystyle {} _ {17} ^ {35} {\ text {Cl}}}$fue el isótopo más común con una abundancia de 75.77% y${\ displaystyle {} _ {17} ^ {37} {\ text {Cl}}}$tuvo una abundancia del 24.23% restante. Para calcular la masa promedio, primero convierta los porcentajes en fracciones; es decir, simplemente divídalos por 100. Ahora, el cloro-35 representa una fracción de cloro natural de 0.7577 y tiene una masa de 35 (el número de masa). Multiplicando estos, obtenemos (0.7577 × 35) = 26.51. A esto, necesitamos sumar la fracción que representa cloro-37, o (0.2423 × 37) = 8.965; sumando, (26.51 + 8.965) = 35.48, que es la masa atómica promedio ponderada para el cloro. Siempre que hacemos cálculos de masa que involucran elementos o compuestos (combinaciones de elementos), siempre necesitamos usar masas atómicas promedio.