UNIDAD I. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA INORGÁNICA

UNIDAD I. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA INORGÁNICATema ITema IIMateria y medida. 1. Introducción: el alcance de la química. 2. El método científico.3. Clasificaciones de la materia. 4. Propiedades de la materia. 5. Unidades demedida. 6. El manejo de los números. 7. Conversión de unidades.Estructura electrónica de los átomos. 1. Teoría atómica. 2. Estructura atómica.Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D. y Bissonnette, C. (2011). Química General. Principios yaplicaciones modernas (10a. ed.). Madrid: Pearson Educación, S.A. pp. 1-33.TEMA IMÉTODO CIENTÍFICOLa ciencia se diferencia de otros campos del saber en el método que utilizan los científicos paraadquirir conocimientos y en el significado especial de estos conocimientos. Los conocimientoscientíficos se pueden utilizar para explicar fenómenos naturales y, a veces, para predeciracontecimientos futuros.El método científico se originó en el siglo XVII con personas como Galileo, Francis Bacon, RobertBoyle e Isaac Newton. La clave del método es que no se hacen suposiciones iniciales, sino que sellevan a cabo observaciones minuciosas de los fenómenos naturales. Cuando se han hechoobservaciones suficientes como para que comience a emerger un patrón de comportamiento, seformula una generalización o ley natural que describa el fenómeno. Las leyes naturales sonproposiciones concisas, frecuentemente en forma matemática, acerca del comportamiento de lanaturaleza. El proceso de observaciones que conducen a una proposición de carácter general o leynatural recibe el nombre de razonamiento inductivo. Por ejemplo, en los comienzos del siglo XVI elastrónomo polaco Nicolás Copérnico (1473-1543), basándose en un estudio cuidadoso de lasobservaciones astronómicas, concluyó que el planeta Tierra se mueve alrededor del Sol según unaórbita circular, aunque en aquella época se enseñaba, sin ninguna base científica, que el Sol y losotros cuerpos celestes giraban alrededor de la Tierra. Podemos considerar la proposición deCopérnico como una generalización o ley natural. Otro ejemplo de ley natural es la desintegraciónradiactiva que establece el tiempo que tardará una sustancia radiactiva en perder su actividad.El éxito de una ley natural depende de su capacidad para explicar las observaciones y predecirnuevos fenómenos. El trabajo de Copérnico alcanzó un gran éxito porque Copérnico fue capaz depredecir las posiciones futuras de los planetas con más precisión que sus contemporáneos. Sinembargo, no debemos considerar una ley natural como una verdad absoluta. Futuros experimentospueden obligarnos a modificar la ley. Medio siglo después, Johannes Kepler mejoró las ideas deCopérnico mostrando que los planetas no describen órbitas circulares sino elípticas. Para verificaruna ley natural el científico diseña experimentos, para ver si las conclusiones que se deducen de laley natural concuerdan con los resultados experimentales.

Una hipótesis es un intento de explicación de una ley natural. Si la hipótesis es consistente con laspruebas experimentales, se la denomina teoría. Sin embargo, podemos utilizar este término en unsentido más amplio. Una teoría es un modelo o una manera de examinar la naturaleza que puedeutilizarse para explicar los fenómenos naturales y hacer predicciones sobre los mismos. Cuando seproponen teorías diferentes o contradictorias, se elige generalmente la que proporciona las mejorespredicciones. También se prefiere la teoría que requiere el menor número de suposiciones, es decir,la teoría más simple. Cuando pasa el tiempo y se acumulan nuevas evidencias experimentales, lamayor parte de las teorías científicas se modifican y algunas se desechan.El método científico es la combinación de las observaciones y experimentos junto con laformulación de leyes, hipótesis y teorías. El método científico se ilustra mediante el diagrama de flujode la Figura 1.1. A veces los científicos desarrollan un patrón de pensamiento en su campo delsaber, conocido como un paradigma, cuyo éxito es grande al principio, pero después no lo es tanto.Puede ser necesario un nuevo paradigma. De alguna manera, el método de búsqueda quedenominamos método científico es también un paradigma, y hay quien piensa que también necesitaser cambiado. Es decir, las distintas actividades de los científicos modernos son más complejas quela simple descripción del método científico aquí descrito. En cualquier caso, el éxito científico no estágarantizado si simplemente se siguen una serie de procedimientos semejantes a los de un libro decocina.Otro factor en el descubrimiento científico es la suerte. Muchos descubrimientos se han hecho deforma accidental. Por ejemplo, en 1839, el inventor americano Charles Goodyear estabainvestigando un tratamiento para el caucho natural que lo hiciese menos frágil en frío y menospegajoso en caliente. En el transcurso de su trabajo, derramó por accidente una mezcla de caucho yazufre sobre una placa caliente y descubrió que el producto resultante tenía exactamente laspropiedades que estaba buscando. Otros descubrimientos casuales han sido los rayos X, laradiactividad y la penicilina. Por tanto, científicos e inventores necesitan estar siempre alerta ante lasobservaciones inesperadas. Quizás nadie ha sido más consciente de esto que Louis Pasteur, queescribió «La casualidad favorece a la mente que está preparada».

PROPIEDADES DE LA MATERIA«La química es la ciencia que trata de la composición y propiedades de la materia». La materia estodo lo que ocupa espacio, tiene una propiedad llamada masa y posee inercia. Todos los objetos quevemos a nuestro alrededor son objetos materiales.La composición se refiere a las partes o componentes de una muestra de materia y a susproporciones relativas. Las propiedades son las cualidades y atributos que podemos utilizar paradistinguir una muestra de materia de otra. Las propiedades de la materia se agrupan generalmenteen dos amplias categorías: propiedades físicas y propiedades químicas.Una propiedad física es una propiedad que una muestra de materia tiene mientras no cambie sucomposición. En una transformación física pueden cambiar algunas de las propiedades físicas dela muestra de materia pero su composición permanece inalterada.En una transformación química o reacción química, una o más muestras de materia se conviertenen nuevas muestras con composiciones diferentes. Por tanto, la clave para identificar unatransformación química es observar un cambio en la composición. Una propiedad química es lacapacidad (o incapacidad) de una muestra de materia para experimentar un cambio en sucomposición bajo ciertas condiciones.CLASIFICACIÓN DE LA MATERIALa materia está formada por unas unidades diminutas denominadas átomos. Un elemento químicoes una sustancia formada por un solo tipo de átomos. Actualmente, la Unión Internacional deQuímica Pura y Aplicada (IUPAC) reconoce 112 elementos y ¡toda la materia está formadaúnicamente por estos 112 tipos de átomos! En la naturaleza podemos encontrar aproximadamente90 de estos elementos. El resto no aparecen de forma natural y solamente podemos obtenerlosartificialmente. Los compuestos químicos son sustancias en las que se combinan entre sí losátomos de diferentes elementos. Los científicos han identificado millones de compuestos químicosdiferentes.En algunos casos podemos aislar una molécula de un compuesto. Una molécula es la entidad máspequeña posible en la que se mantienen las mismas proporciones de los átomos constituyentes queen el compuesto químico.La composición y las propiedades de un elemento o compuesto son uniformes en cualquier parte deuna muestra, o en muestras distintas del mismo elemento o compuesto.Los elementos y compuestos se denominan sustancias (En sentido químico, el término sustanciadebe utilizarse solamente para elementos y compuestos). Una mezcla de sustancias puede variar encomposición y propiedades de una muestra a otra. Cuando una mezcla es uniforme en composicióny propiedades en cualquier parte de una muestra determinada se dice que es una mezclahomogénea o una disolución.En las mezclas heterogéneas, como la formada por arena y agua, los componentes se separan enzonas diferenciadas. Por tanto, la composición y las propiedades físicas varían de una parte a otrade la mezcla. La Figura 1.4 muestra un esquema para clasificar la materia en elementos ycompuestos y en mezclas homogéneas y heterogéneas.

Separaciones de mezclas: Los componentes de una mezcla pueden separarse mediantetransformaciones físicas adecuadas.Descomposición de compuestos: Un compuesto químico mantiene su identidad durante lastransformaciones físicas pero puede descomponerse en sus elementos constituyentes por medio detransformaciones químicas. Es más difícil descomponer un compuesto en sus elementosconstituyentes que la mera separación física de las mezclas. Generalmente es más fácil convertir uncompuesto en otros compuestos mediante reacción química que separar un compuesto en suselementos constituyentes.Estados de la materia: La materia suele encontrarse en uno de los tres estados, sólido, líquido ogas. En un sólido, los átomos o moléculas están en contacto próximo, a veces en disposiciones muyorganizadas que se llaman cristales. Un sólido tiene una forma definida. En un líquido, los átomos omoléculas están generalmente separados por distancias mayores que en un sólido. El movimiento deestos átomos o moléculas proporciona al líquido una de sus propiedades más características: lacapacidad de fluir cubriendo el fondo y adoptando la forma del recipiente que lo contiene. En un gas,las distancias entre átomos o moléculas son mucho mayores que en un líquido. Un gas siempre seexpande hasta llenar el recipiente que lo contiene. Dependiendo de las condiciones, una sustanciapuede existir solo en uno de los estados de la materia, o puede estar en dos o tres estados.

MEDIDA DE LAS PROPIEDADES DE LA MATERIA. UNIDADES SILa química es una ciencia cuantitativa. Esto significa que en muchos casos podemos medir unapropiedad de una sustancia y compararla con un patrón que tenga un valor conocido de lapropiedad. Expresamos la medida como el producto de un número y una unidad. La unidad indica elpatrón con el que hemos comparado la cantidad medida.El sistema científico de medidas se llama Système Internationale d'Unités (Sistema Internacional deUnidades) y de forma abreviada SI. Es una versión moderna del sistema métrico, un sistema basadoen la unidad de longitud llamada metro (m). El sistema SI es un sistema decimal. Las magnitudesque difieren de la unidad básica en potencias de diez se indican por medio de prefijos escritos antesde la unidad Y10241 yottametro (Ym) 1x1024 mZetta-Z10211 zettametro (Zm) 1x1021 mExa-E10181 exametro (Em) 1x1018 mPeta-P10151 petametro (Pm) 1x1015 mTera-T10121 terametro (Tm) 1x1012 mGiga-G1091 gigametro (Gm) 1x109 mMega-M1061 megametro (Mm) 1x106 mKilo-k1031 kilómetro (km) 1x103 mHecto-h1021 hectómetro (hm) 1x102 mDeca-da1011 decámetro (dam) 1x101 mDeci-d10-11 decímetro (dm) 1x10-1 mCenti-c10-21 centímetro (cm) 1x10-2 mMili-m10-31 milímetro (mm) 1x10-3 mMicro-μ10-61 micrómetro (μm) 1x10-6 mNano-n10-91 nanómetro (nm) 1x10-9 mPico-p10-121 picómetro (pm) 1x10-12 mFemto-f10-151 femtometro (fm) 1x10-15 mAtto-a10-181 attometro (am) 1x10-18 mZepto-z10-211 zeptometro (zm) 1x10-21 mMasa: es la magnitud que mide la materia de un objeto. Peso es la fuerza con que la gravedad actúasobre un objeto. Es directamente proporcional a la masa como se muestra en las ecuacionessiguientes:WαmyW g m