1.1: Química - La Ciencia Central

Objetivos de aprendizaje

1. Definir la química en relación con otras ciencias.
2. Utilizar propiedades físicas y químicas, incluida la fase, para describir la materia.

La química es el estudio de la materia, en qué consiste, cuáles son sus propiedades y cómo cambia. Poder describir los ingredientes en un pastel y cómo cambian cuando se hornea el pastel se llama química. La materia es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio, es decir, cualquier cosa que sea físicamente real. Algunas cosas se identifican fácilmente como materia, este libro, por ejemplo. Otros no son tan obvios. Debido a que nos movemos tan fácilmente por el aire, a veces olvidamos que también es materia.

La química es una rama de la ciencia. La ciencia es el proceso por el cual aprendemos sobre el universo natural observando, probando y luego generando modelos que expliquen nuestras observaciones. Debido a que el universo físico es tan vasto, hay muchas ramas diferentes de la ciencia (Figura\(\PageIndex{1}\)). Así, la química es el estudio de la materia, la biología es el estudio de los seres vivos, y la geología es el estudio de las rocas y la tierra. Las matemáticas son el lenguaje de la ciencia, y lo usaremos para comunicar algunas de las ideas de la química.

Figura\(\PageIndex{1}\): Las relaciones entre algunas de las ramas principales de la ciencia. La química se encuentra más o menos en el medio, lo que enfatiza su importancia para muchas ramas de la ciencia. (CC BY-SA-NC; anónimo)

Aunque dividimos la ciencia en diferentes campos, hay mucho solapamiento entre ellos. Por ejemplo, algunos biólogos y químicos trabajan tanto en ambos campos que su trabajo se llama bioquímica. De igual manera, la geología y la química se superponen en el campo denominado geoquímica. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra cuántos de los campos individuales de la ciencia están relacionados; hay muchos otros campos de la ciencia además de los que aquí se enumeran.

¿Cómo trabajan los científicos? Generalmente, siguen un proceso llamado método científico. El método científico es un procedimiento organizado para aprender respuestas a preguntas y hacer explicaciones para observaciones. Los pasos del método científico pueden no ser tan definidos en la vida real como se describe aquí, pero la mayoría de los trabajos científicos siguen este esquema general.

1. Proponer una hipótesis. Un científico genera una idea comprobable, o hipótesis, para tratar de responder a una pregunta o explicar una observación sobre cómo funciona el universo natural. Algunas personas usan la palabra teoría en lugar de hipótesis, pero la palabra hipótesis es la palabra propiamente dicha en la ciencia. Para aplicaciones científicas, la teoría de palabras es una afirmación general que describe un gran conjunto de observaciones y datos. Una teoría representa el nivel más alto de comprensión científica.
2. Probar la hipótesis. Un científico evalúa la hipótesis ideando y realizando experimentos para probarla. Si la hipótesis pasa la prueba, puede ser una respuesta adecuada a la pregunta. Si la hipótesis no pasa la prueba, puede que no sea una buena respuesta.
3. Refina la hipótesis si es necesario. Dependiendo de los resultados de los experimentos, un científico puede querer modificar la hipótesis y luego probarla nuevamente. En ocasiones los resultados muestran que la hipótesis original es completamente errónea, en cuyo caso un científico tendrá que idear una nueva hipótesis.

No todas las investigaciones científicas son lo suficientemente simples como para ser separadas en estos tres pasos discretos. Pero estos pasos representan el método general por el cual los científicos aprenden sobre nuestro universo natural.

Propiedades y Cambios Físicos y Químicos

Las propiedades que los químicos utilizan para describir la materia se dividen en dos categorías generales. Las propiedades físicas son características que describen la materia. Incluyen características como el tamaño, la forma, el color y la masa. Estas características se pueden observar o medir sin cambiar la identidad de la materia en cuestión. Las propiedades químicas son características que describen cómo la materia cambia su estructura o composición química. Un ejemplo de una propiedad química es la inflamabilidad, la capacidad del material para quemarse, porque la quema (también conocida como combustión) cambia la composición química de un material. La observación de las propiedades químicas implica un cambio químico de la materia en cuestión, resultando en materia con una identidad diferente y diferentes propiedades físicas y químicas. Parte de entender la materia es poder describirla. Una forma en que los químicos describen la materia es asignar diferentes tipos de propiedades a diferentes categorías.

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) El derretimiento del hielo es un cambio físico. Cuando el agua líquida (\(H_2O\)) se congela a un estado sólido (hielo), aparece cambiada; sin embargo, este cambio es sólo físico ya que la composición de las moléculas constituyentes es la misma: 11.19% de hidrógeno y 88.81% de oxígeno en masa. (derecha) La quema de cera para generar agua y dióxido de carbono es una reacción química. (CC SA-BY-3.0; Andrikkos)

Sabemos por nuestra experiencia con el agua que las sustancias pueden cambiar de una fase a otra si las condiciones son las adecuadas. Típicamente, variar la temperatura de una sustancia (y, menos comúnmente, la presión que se ejerce sobre ella) puede provocar un proceso físico en el que una sustancia cambia de una fase a otra. Los ejemplos se resumen en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Cambios físicos

Cambiar	Nombre
sólido a líquido	fusión, fusión
sólido a gas	sublimación
líquido a gas	ebullición, evaporación
líquido a sólido	solidificación, congelación
gas a líquido	condensación
gas a sólido	deposición

La diferencia entre una reacción física y una reacción química es la composición. En una reacción química, hay un cambio en la composición de las sustancias en cuestión; en un cambio físico hay una diferencia en la apariencia, olor, o simple visualización de una muestra de materia sin un cambio en la composición. A pesar de que las llamamos “reacciones” físicas, en realidad no está ocurriendo ninguna reacción. Para que se produzca una reacción, debe haber un cambio en la composición elemental de la sustancia en cuestión. Así, simplemente nos referiremos a las “reacciones físicas” como cambios físicos a partir de ahora.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Clasificar cada uno de los siguientes cambios como físicos o químicos:

1. condensación de vapor
2. quema de gasolina
3. Acidez de la leche
4. disolución de azúcar en agua
5. fusión de oro

Contestar

1. físico
2. químico
3. químico
4. físico
5. físico

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Clasificar cada uno de los siguientes cambios como físicos o químicos:

1. quema de carbón
2. derretimiento de hielo
3. mezcla de sirope de chocolate con leche
4. explosión de un petardo
5. magnetización de un destornillador

Contestar

1. químico
2. físico
3. físico
4. químico
5. físico

Claves para llevar

• La química es el estudio de la materia y cómo se comporta.
• El método científico es el proceso general por el cual aprendemos sobre el universo natural.