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1.4: Química - Un estudio de la materia y sus cambios

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    72006

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    Objetivos de aprendizaje
    • Separar las propiedades físicas de las químicas.
    • Etiquetar un cambio como químico o físico.

    C h emistry es el estudio de la materia, en qué consiste, cuáles son sus propiedades y cómo cambia. La materia es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio, es decir, cualquier cosa que sea real aliada física. Algunas cosas se identifican fácilmente como materia, la pantalla en la que estás leyendo 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. Debido a esto, la química es una ciencia que tiene sus dedos en casi todo. Incluso una descripción de los ingredientes en un pastel, y cómo cambian esos ingredientes cuando se hornea el pastel, ¡es química!

    Propiedades Físicas y Químicas

    Toda la materia tiene propiedades físicas y químicas. Las propiedades físicas son características que los científicos pueden medir sin cambiar la composición de la muestra en estudio, como la masa, el color y el volumen (la cantidad de espacio ocupado por una muestra). Las propiedades químicas describen la capacidad característica de una sustancia para reaccionar para formar nuevas sustancias; incluyen su inflamabilidad y susceptibilidad a la corrosión. Todas las muestras de una sustancia pura tienen las mismas propiedades químicas y físicas. Por ejemplo, el cobre puro es siempre un sólido de color marrón rojizo (una propiedad física) y siempre se disuelve en ácido nítrico diluido para producir una solución azul y un gas marrón (una propiedad química).

    Propiedad Física

    Una propiedad física es una característica de una sustancia que se puede observar o medir sin cambiar la identidad de la sustancia. La plata es un metal brillante que conduce muy bien la electricidad. Se puede moldar en láminas delgadas, una propiedad llamada maleabilidad. La sal es opaca y quebradiza y conduce la electricidad cuando se ha disuelto en agua, lo que hace con bastante facilidad. Las propiedades físicas de la materia incluyen color, dureza, maleabilidad, solubilidad, conductividad eléctrica, densidad, punto de fusión y punto de ebullición. En la Tabla\(\PageIndex{1}\), observe que el aceite de maíz tiene una relación masa/volumen menor que el agua. Esto significa que cuando se agrega al agua, el aceite de maíz “flotará”.

    \(\PageIndex{1}\)Densidades de Tabla de Sustancias Comunes
    Sustancia Densidad a 25°C (g/cm3)
    sangre 1.035
    grasa corporal 0.918
    leche entera 1.030
    aceite de maíz 0.922
    mayonesa 0.910
    miel 1.420

    La dureza ayuda a determinar cómo se podría usar un elemento (especialmente un metal). Muchos elementos son bastante blandos (plata y oro, por ejemplo) mientras que otros (como el titanio, tungsteno y cromo) son mucho más duros. El carbono es un interesante ejemplo de dureza. En el grafito, (el “plomo” que se encuentra en los lápices) el carbono es muy blando, mientras que el carbono en un diamante es aproximadamente siete veces más duro.

    Figura\(\PageIndex{1}\) Un lápiz (arriba) y un anillo de diamantes (abajo). Ambos son una forma de carbono, pero exhiben propiedades físicas muy diferentes.

    Los puntos de fusión y ebullición son identificadores algo únicos, especialmente de los compuestos. Además de dar alguna idea de la identidad del compuesto, se puede obtener información importante sobre la pureza del material.

    Propiedad Química

    Una propiedad química de la materia describe su “potencial” para sufrir algún cambio químico o reacción en virtud de su composición; así como qué elementos, electrones y enlaces están presentes para dar el potencial de cambio químico. Es bastante difícil definir una propiedad química sin usar la palabra “cambio”. Eventualmente, los estudiantes de química deberían poder observar la fórmula de un compuesto y declarar una propiedad química. Por ejemplo, el hidrógeno tiene el potencial de encenderse y explotar, dadas las condiciones adecuadas, esta es una propiedad química. Los metales en general tienen la propiedad química de reaccionar con los ácidos. El zinc reacciona con el ácido clorhídrico para producir hidrógeno gaseoso; esta es una propiedad química.

    Figura\(\PageIndex{2}\) Fuerte óxido en los eslabones de una cadena cerca del puente Golden Gate en San Francisco; se expuso continuamente a la humedad y a la niebla salina, lo que provocó la descomposición de la superficie, agrietamiento y descamación del metal. (CC BY-SA 3.0;).

    Una propiedad química del hierro es que es capaz de combinarse con el oxígeno para formar óxido de hierro, el nombre químico de la roya (Figura\(\PageIndex{2}\)). El término más general para la oxidación y otros procesos similares es la corrosión. Otros términos que se usan comúnmente en las descripciones de los cambios químicos son quemar, pudrirse, explotar, descomponer y fermentar. Las propiedades químicas son muy útiles en la identificación de sustancias. Sin embargo, a diferencia de las propiedades físicas, las propiedades químicas solo se pueden observar ya que la sustancia se encuentra en proceso de transformarse en una sustancia diferente.

    Tabla\(\PageIndex{2}\): Propiedades físicas y químicas contrastantes
    Propiedades Físicas Propiedades Químicas
    El galio metálico se funde a 30 o C El metal de hierro se oxida.
    El mercurio es un líquido muy denso. Un plátano verde se vuelve amarillo cuando madura.
    El oro es brillante. Se quema un trozo de papel seco.
    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    ¿Cuál de las siguientes es una propiedad química del hierro?

    1. El hierro se corroe en el aire húmedo.
    2. Densidad = 7.874 g/cm 3
    3. El hierro es suave cuando es puro.
    4. El hierro se funde a 1808 K.
    Solución

    “El hierro se corroe en el aire” es la única propiedad química del hierro de la lista.

    Ejercicio\(\PageIndex{1A}\)

    ¿Cuál de las siguientes es una propiedad física de la materia?

    1. corrosividad
    2. pH (acidez)
    3. densidad
    4. inflamabilidad
    Responder
    3.
    Ejercicio\(\PageIndex{1B}\)

    ¿Cuál de las siguientes es una propiedad química?

    1. inflamabilidad
    2. punto de fusión
    3. punto de ebullición
    4. densidad
    Responder
    1.

    Cambios Físicos y Químicos

    El cambio está ocurriendo a nuestro alrededor todo el tiempo. Así como los químicos han clasificado elementos y compuestos, también han clasificado tipos de cambios. Los cambios se clasifican como cambios físicos o químicos. Los químicos aprenden mucho sobre la naturaleza de la materia estudiando los cambios que puede sufrir la materia. Los químicos hacen una distinción entre dos tipos diferentes de cambios que estudian: cambios físicos y cambios químicos.

    Cambio Físico

    Los cambios físicos son cambios en los que no se rompen ni se forman vínculos. Esto quiere decir que los mismos tipos de compuestos o elementos que estaban ahí al inicio del cambio están ahí al final del cambio. Debido a que los materiales finales son los mismos que los materiales iniciales, las propiedades (como color, punto de ebullición, etc) también serán las mismas. Los cambios físicos implican mover moléculas alrededor, pero no cambiarlas. Algunos tipos de cambios físicos incluyen:

    • Cambios de estado (cambios de un sólido a un líquido o un gas y viceversa).
    • Separación de una mezcla.
    • Deformación física (corte, abolladura, estiramiento).
    • Elaboración de soluciones (tipos especiales de mezclas).

    A medida que un cubito de hielo se derrite, su forma cambia a medida que adquiere la capacidad de fluir. Sin embargo, su composición no cambia. La fusión es un ejemplo de un cambio físico. Un cambio físico es un cambio a una muestra de materia en la que cambian algunas propiedades del material, pero la identidad de la materia no. Cuando el agua líquida se calienta, cambia a vapor de agua. Sin embargo, a pesar de que las propiedades físicas han cambiado, las moléculas son exactamente las mismas que antes. Cada molécula de agua todavía contiene dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a un átomo de oxígeno. Cuando tienes un frasco que contiene una mezcla de centavos y cinco centavos, y ordenas la mezcla para que tengas un montón de centavos y otro montón de centavos, no has alterado la identidad ni de los centavos ni de los níqueles, simplemente los has separado en dos grupos. Esto sería un ejemplo de un cambio físico. De igual manera, si tienes un trozo de papel, no lo cambias en otra cosa que no sea un trozo de papel rasgándolo. Lo que era papel antes de empezar a rasgar sigue siendo papel cuando terminas. Nuevamente, este es un ejemplo de un cambio físico.

    Figura\(\PageIndex{3}\): 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. (Dominio Público; Moussa).

    Los cambios físicos pueden clasificarse además como reversibles o irreversibles. El cubito de hielo derretido puede ser recongelado, por lo que fundir es un cambio físico reversible. Los cambios físicos que implican un cambio de estado son todos reversibles. Otros cambios de estado incluyen vaporización (líquido a gas), congelación (líquido a sólido) y condensación (gas a líquido). La disolución también es un cambio físico reversible. Cuando la sal se disuelve en agua, se dice que la sal ha entrado en estado acuoso. La sal puede ser recuperada por ebullición del agua, dejando atrás la sal.

    Cambio Químico

    Los cambios químicos ocurren cuando los enlaces se rompen y/o se forman entre moléculas o átomos. Esto significa que una sustancia con cierto conjunto de propiedades (como punto de fusión, color, sabor, etc.) se convierte en una sustancia diferente con diferentes propiedades. Los cambios químicos son frecuentemente más difíciles de revertir que los cambios físicos.

    Un buen ejemplo de un cambio químico es quemar una vela. El acto de quemar papel realmente resulta en la formación de nuevos químicos (dióxido de carbono y agua, para ser exactos) a partir de la quema de la cera. Otro ejemplo de un cambio químico es lo que ocurre cuando se quema gas natural en un horno. Esta vez, a la izquierda hay una molécula de metano,\(\ce{CH_4}\), y dos moléculas de oxígeno,\(\ce{O_2}\); a la derecha hay dos moléculas de agua,\(\ce{H_2O}\), y una molécula de dióxido de carbono,\(\ce{CO_2}\). En este caso, no sólo ha cambiado la apariencia, sino que también ha cambiado la estructura de las moléculas. Las nuevas sustancias no tienen las mismas propiedades químicas que las originales. Por lo tanto, se trata de un cambio químico.

    Figura\(\PageIndex{4}\): La quema de cera para generar agua y dióxido de carbono es una reacción química. (CC-SA-BY-3.0; Andrikkos)

    En realidad no podemos ver moléculas rompiendo y formando enlaces, aunque eso es lo que define los cambios químicos. Tenemos que hacer otras observaciones para indicar que ha ocurrido un cambio químico. Parte de la evidencia del cambio químico involucrará los cambios energéticos que ocurren en los cambios químicos, pero alguna evidencia involucra el hecho de que nuevas sustancias con diferentes propiedades se forman en un cambio químico.

    Las observaciones que ayudan a indicar el cambio químico incluyen:

    • Cambios de temperatura (aumento o disminución de la temperatura).
    • Luz desprendida.
    • Cambios inesperados de color (se hace una sustancia con un color diferente, en lugar de simplemente mezclar los colores originales).
    • Se forman burbujas (pero la sustancia no está herviendo—usted hizo una sustancia que es un gas a la temperatura de los materiales iniciales, en lugar de un líquido).
    • Olor o sabor diferente (¡aunque no pruebes tus experimentos de química!).
    • Se forma un sólido si se mezclan dos líquidos transparentes (busque flotadores —técnicamente llamados precipitados).
    Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

    Marque cada uno de los siguientes cambios como un cambio físico o químico. Dé pruebas para apoyar su respuesta.

    1. Agua hirviendo.
    2. Una uña oxidada.
    3. Se mezclan una solución verde y una solución incolora. La mezcla resultante es una solución de color verde pálido.
    4. Se mezclan dos soluciones incoloras. La mezcla resultante tiene un precipitado amarillo.
    Solución
    1. Físico: hervir y fundir son cambios físicos. Cuando el agua hierve, no se rompen ni se forman enlaces. El cambio podría escribirse como:\(\ce{H_2O} \left( l \right) \rightarrow \ce{H_2O} \left( g \right)\)
    2. Químico: La uña gris oscuro cambia de color para formar una sustancia escamosa naranja (la roya); esto debe ser un cambio químico. Los cambios de color indican cambio químico. Se produce la siguiente reacción:\(\ce{Fe} + \ce{O_2} \rightarrow \ce{Fe_2O_3}\)
    3. Físico: debido a que ninguna de las propiedades cambió, esto es un cambio físico. La mezcla verde sigue siendo verde y la solución incolora sigue siendo incolora. Acaban de combinarse. No se produjo ningún cambio de color, u otra evidencia de cambio químico.
    4. Químico: la formación de un precipitado y el cambio de color de incoloro a amarillo indica un cambio químico.
    Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

    Marque cada uno de los siguientes cambios como un cambio físico o químico.

    1. Un espejo está roto.
    2. Un clavo de hierro corroído en aire húmedo.
    3. El metal de cobre se funde.
    4. Un convertidor catalítico cambia el dióxido de nitrógeno a gas nitrógeno y gas oxígeno.
    Respuesta 1:
    cambio físico
    Respuesta 2:
    cambio químico
    Respuesta 3:
    cambio físico
    Respuesta 4:
    cambio químico

    Resumen

    • Una propiedad física es una característica de una sustancia que se puede observar o medir sin cambiar la identidad de la sustancia. Las propiedades físicas incluyen color, densidad, dureza y puntos de fusión y ebullición.
    • Una propiedad química describe la capacidad de una sustancia para sufrir un cambio químico específico. Para identificar una propiedad química, buscamos un cambio químico.
    • Los cambios físicos son cambios que no alteran la identidad de una sustancia.
    • Los cambios químicos son cambios que ocurren cuando una sustancia se convierte en otra sustancia.
    • Los cambios químicos son frecuentemente más difíciles de revertir que los cambios físicos. Las observaciones que indican un cambio químico ocurrido incluyen cambio de color, cambio de temperatura, luz emitida, formación de burbujas y formación de un precipitado.

    Colaboradores y Atribuciones

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