El estudio de la química
Clasificaciones de la materia
Propiedades de la materia
Unidades de medición
Incertidumbre en las mediciones
Análisis dimensiona
Antes de viajar a una ciudad desconocida, es recomendable estudiar un mapa para tener una idea de cómo llegar ahí. Dado que el lector tal vez no está familiarizado con la química, le conviene formarse una idea general de lo que le espera antes de iniciar el viaje. De hecho, podríamos incluso preguntarnos por qué vamos a realizarlo.
La perspectiva molecular de la química La química implica estudiar las propiedades y el comportamiento de la materia. La materia es el material físico del universo; es cualquier cosa que tiene masa y ocupa espacio. Este libro, nuestro organismo, la ropa que usamos y el aire que respiramos son ejemplos de materia. No todas las formas de la materia son tan comunes o tan conocidas, pero incontables experimentos han demostrado que la enorme variedad de la materia en nuestro mundo se debe a combinaciones de apenas poco más de un ciento de sustancias muy básicas o elementales, llamadas elementos. Al avanzar en
este texto, trataremos de relacionar las propiedades de la materia con su composición; esto es, con los elementos específicos que contiene. La química también proporciona antecedentes para entender las propiedades de la materia en términos de átomos, los bloques de construcción casi infinitesimalmente
pequeños de la materia. Cada elemento se compone de una sola clase de átomos. Veremos que las propiedades de la materia se relacionan no sólo con las clases de átomos que contiene (composición), sino también con la organización de dichos átomos (estructura).
Los átomos se pueden combinar para formar moléculas, en las que dos o más átomos se unen en estructuras específicas. En todo este texto representaremos las moléculas con esferas coloreadas para mostrar cómo se enlazan sus átomos constituyentes
(Figura 1.1 ¥). El color sólo es una forma conveniente de distinguir los átomos
de diferentes elementos. Las moléculas de etanol y etilenglicol, representadas en
la figura 1.1, difieren en su composición. El etanol contiene una esfera, que representa
un átomo de oxígeno, mientras que el etilenglicol contiene dos.
Incluso diferencias, que pueden parecer triviales en la composición y estructura
de las moléculas, pueden dar pie a diferencias profundas en sus propiedades. El
etanol, también llamado alcohol de grano, es el alcohol de las bebidas como cerveza
y vino. El etilenglicol, en cambio, es un líquido viscoso que se emplea en los anticon-
(e) Etilenglicol (f) Aspirina
(a) Oxígeno
(b) Agua
(c) Dióxido de carbono
(d) Etanol
Á Figura 1.1 Modelos moleculares. Las esferas blancas, gris oscuro y rojo representan
átomos de hidrógeno, carbono y oxígeno, respectivamente.
Ejercicios con el CD-ROM
Oxígeno, agua, dióxido de
carbono, etanol, etilenglicol,
asipirina
(Oxygen, Water, Carbon
Dioxide, Ethanol, Ethylene
Glycol, Aspirin)
gelantes para automóviles. Las propiedades de estas dos sustancias difieren en muchos
aspectos, incluidas las temperaturas a las que se congelan y hierven. Uno de
los retos que enfrentan los químicos es el de producir moléculas de forma controlada,
creando nuevas sustancias con diferentes propiedades.
Todo cambio en el mundo observable —desde el agua en ebullición hasta los
cambios que ocurren cuando nuestro organismo combate a los virus invasores— se
basa en el mundo no observable de los átomos y las moléculas. Por tanto, conforme
nos adentremos en el estudio de la química, comenzaremos a pensar dentro de dos
reinos, el reino macroscópico de los objetos de tamaño ordinario (macro grande) y
el reino submicroscópico de los átomos. Efectuamos nuestras observaciones en el
mundo macroscópico de nuestros sentidos ordinarios; en el laboratorio y en nuestro
entorno. Sin embargo, para entender ese mundo debemos visualizar el comportamiento
de los átomos.
¿Por qué estudiar química?
La química permite obtener un entendimiento importante de nuestro mundo y su
funcionamiento. Se trata de una ciencia eminentemente práctica que tiene una influencia
enorme sobre nuestra vida diaria. De hecho, la química está en el centro de
muchas cuestiones que preocupan a casi todo mundo: el mejoramiento de la atención
médica, la conservación de los recursos naturales, la protección del entorno, la satisfacción
de nuestras necesidades diarias en cuanto a alimento, vestido y albergue. Con
la ayuda de la química, hemos descubierto sustancias farmacéuticas que fortalecen
nuestra salud y prolongan nuestra vida. Hemos aumentado la producción de alimentos
mediante el desarrollo de fertilizantes y plaguicidas. Hemos creado plásticos
y otros materiales que se usan en casi todas las facetas de nuestra vida. Desafortunadamente,
algunos productos químicos también pueden dañar nuestra salud o el
entorno. Nos conviene, como ciudadanos educados y consumidores, entender los
profundos efectos, tanto positivos como negativos, que las sustancias químicas tienen
sobre nuestra vida, y encontrar un equilibrio sobre su uso.
No obstante, casi todos los lectores de esta obra estarán estudiando química no
sólo para satisfacer su curiosidad o para convertirse en consumidores o ciudadanos
más informados, sino porque es un componente obligatorio de su plan de estudios.
La carrera que están estudiando podría ser biología, ingeniería, agronomía, geología
o algún otro campo. ¿Por qué tantos temas diversos tienen un vínculo esencial con
la química? La respuesta es que la química, por su misma naturaleza, es la ciencia
central. Nuestras interacciones con el mundo material hacen surgir preguntas fundamentales
acerca de los materiales que nos rodean. ¿Qué composición y propiedades
tienen? ¿Cómo interactúan con nosotros y con el entorno? ¿Cómo, por qué y cuándo
cambian? Estas preguntas son importantes sea que el material forme parte de un chip
de computadora de alta tecnología, un pigmento empleado por un pintor del Renacimiento
o el ADN (o DNA, siglas usadas internacionalmente) que transmite información
genética en nuestro cuerpo (Figura 1.2 ¥). La química proporciona respuestas a
éstas y a innumerables preguntas más.
(a) (b) (c)
« Figura 1.2 (a) Vista microscópica
de un chip de computadora.
(b) Pintura del Renacimiento, Muchacha
que lee, por Vittore Carpaccio
(1472-1526). (c) Hebra larga de ADN
que se salió de una bacteria cuya
pared celular sufrió daños.
Muchos conocemos productos químicos caseros comunes como los
que se muestran en la figura 1.3 », pero pocos nos damos cuenta de
lo enorme e importante que es la industria química. Las ventas mundiales
de productos químicos y relacionados con la química fabricados
en Estados Unidos ascienden a más de 400,000 millones de dólares
anuales. La industria química da empleo a más del 10% de todos
los científicos e ingenieros y contribuye de manera importante a la
economía estadounidense.
Se producen enormes cantidades de productos químicos cada
año que sirven como materia prima en diversas aplicaciones, incluidas
la fabricación de metales, plásticos, fertilizantes, medicamentos,
combustibles, pinturas, adhesivos, plaguicidas, fibras sintéticas, chips
microprocesadores y muchos otros productos. En la tabla 1.1 ¥ se
enumeran los principales 10 productos químicos fabricados en Estados
Unidos. Estudiaremos muchas de estas sustancias y sus usos
conforme el curso avance.
Quienes tienen estudios de química cubren diversos puestos en la industria, el gobierno y las universidades. Los que trabajan en la industria química encuentran acomodo como químicos de laboratorio,
realizando experimentos para desarrollar nuevos productos (investigación y desarrollo), analizando materiales (control de calidad) o ayudando a los clientes a usar los productos (ventas y servicio).
Aquellos con más experiencia o capacitación pueden trabajar como gerentes o directores de empresas. También hay carreras alternas para las que la química puede servir como preparación: docencia, medicina,
investigaciones biomédicas, informática, ecología, ventas técnicas, trabajo con organismos gubernamentales reguladores y leyes
de patentes.
La química en acción La química y la industria química
aCasi todos los datos se tomaron de Chemical and Engineering News, 25 de junio de 2001, pp. 45 y 46.
Á Figura 1.3 Muchos productos de supermercado comunes
tienen composiciones químicas muy sencillas.
Al estudiar química, aprenderemos a usar el potente lenguaje y las ideas que han
surgido para describir y entender la materia. El lenguaje de la química es un lenguaje
científico universal que se emplea ampliamente en otras disciplinas. Además, entender
el comportamiento de los átomos y las moléculas nos permite comprender
mejor otras áreas de la ciencia, la tecnología y la ingeniería modernas. Por esta razón, es
probable que la química desempeñe un papel importante en su futuro. El lector
estará mejor preparado para el futuro si amplía su entendimiento de los principios
químicos, y el objetivo de este libro es ayudarle a alcanzar esa meta.
Producción en el 2000
Lugar Sustancia Fórmula (miles de millones de libras) Usos finales principales
1 Ácido sulfúrico H2SO4 87 Fertilizantes, plantas químicas
2 Nitrógeno N2 81 Fertilizantes
3 Oxígeno O2 55 Acero, soldadura
4 Etileno C2H4 55 Plásticos, anticongelante
5 Cal viva CaO 44 Papel, cemento, acero
6 Amoniaco NH3 36 Fertilizantes
7 Propileno C3H6 32 Plásticos
8 Ácido fosfórico H3PO4 26 Fertilizantes
9 Cloro Cl2 26 Blanqueadores, plásticos, purificación de agua
10 Hidróxido de sodio NaOH 24 Producción de aluminio, jabón
TABLA 1.1 Los 10 principales productos químicos elaborados por la industria química en el 2000a
Sólido Líquido Gas
« Figura 1.4 Los tres estados físicos
del agua son vapor de agua, agua
líquida y hielo. En esta fotografía
vemos los estados sólido y líquido del
agua. No podemos ver el vapor
de agua. Lo que vemos cuando
miramos vapor o nubes son pequeñas
gotitas de agua líquida dispersas en la
atmósfera. Las vistas moleculares
muestran que las moléculas en el
sólido están dispuestas en una forma
más ordenada que en el líquido.
Las moléculas del gas están mucho
más separadas que en el líquido o en
el sólido.
1.2 Clasificaciones de la materia
Iniciemos nuestro estudio de la química examinando algunas formas fundamentales
de clasificar y describir la materia. Dos de los principales métodos de clasificación
de la materia se basan en su estado físico (como gas, líquido o sólido) y en su composición
(como elemento, compuesto o mezcla).
Estados de la materia
Una muestra de materia puede ser gaseosa, líquida o sólida. Estas tres formas de
materia se denominan estados de la materia. Los estados de la materia difieren en
algunas de sus propiedades observables. Un gas (también llamado vapor) no tiene volumen
ni forma fijos; más bien, se ajusta al volumen y la forma del recipiente que lo
contiene. Podemos comprimir un gas de modo que ocupe un volumen más pequeño,
o expandirlo para ocupar uno mayor. Un líquido tiene un volumen definido independiente
del recipiente pero no tiene forma específica; asume la forma de la
porción del recipiente que ocupa. Un sólido tiene forma y volumen definidos; es rígido.
Ni los líquidos ni los sólidos pueden comprimirse de forma apreciable.
Las propiedades de los estados pueden entenderse en el nivel molecular (Figura
1.4 ¥). En un gas, las moléculas están muy separadas y se mueven a alta velocidad,
chocando repetidamente entre sí y con las paredes del recipiente. En un líquido, las
moléculas están más cercanas, pero aún se mueven rápidamente, y pueden deslizarse
unas sobre otras; por ello los líquidos fluyen fácilmente. En un sólido, las moléculas
están firmemente unidas entre sí, por lo regular en patrones definidos dentro de los
cuales las moléculas apenas pueden moverse un poco de esas posiciones fijas. Por ello,
los sólidos tienen forma rígida.
Ejercicios con el CD-ROM
Fases de la materia
(Phases of Matter)
(c) Moléculas de
un compuesto
(b) Moléculas de
un elemento
(a) Átomos de
un elemento
(d) Mezcla de elementos
y compuestos
Á Figura 1.5 Cada elemento contiene una sola clase de átomos. Los elementos
pueden consistir en átomos individuales, como en (a), o moléculas, como en (b). Los
compuestos contienen dos o más átomos distintos enlazados químicamente, como en
(c). Una mezcla contiene las unidades individuales de sus componentes, que en (d) se
muestran como átomos y moléculas.
Sustancias puras
La mayor parte de las formas de materia con las que nos topamos —por ejemplo, el
aire que respiramos (un gas), la gasolina para los autos (un líquido) y la acera por la
que caminamos (un sólido)⎯ no son químicamente puras. No obstante, podemos
descomponer, o separar, estas clases de materia en diferentes sustancias puras. Una
sustancia pura (o simplemente sustancia) es materia que tiene propiedades definidas
y una composición que no varía de una muestra a otra. El agua y la sal de mesa ordinaria
(cloruro de sodio), que son los principales componentes del agua de mar, son
ejemplos de sustancias puras.
Todas las sustancias son elementos o compuestos. Los elementos no pueden
descomponerse en sustancias más simples. En el nivel molecular, cada elemento se
compone de un solo tipo de átomo [Figura 1.5 (a y b) Á]. Los compuestos son sustancias
compuestas de dos o más elementos, y por tanto, contienen dos o más clases
de átomos [Figura 1.5(c)]. El agua, por ejemplo, es un compuesto constituido por
dos elementos, hidrógeno y oxígeno. La figura 1.5(d) muestra una mezcla de sustancias.
Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en las que cada
sustancia conserva su propia identidad química.
Elementos
En la actualidad se conocen 114 elementos, los cuales varían ampliamente en su abundancia,
como se muestra en la figura 1.6 ¥. Por ejemplo, más del 90% de la corteza
terrestre consta de sólo cinco elementos: oxígeno, silicio, aluminio, hierro y calcio. En
contraste, sólo tres elementos (oxígeno, carbono e hidrógeno) constituyen más del
90% de la masa del cuerpo humano.
Oxígeno
49.5%
Oxígeno
65%
Calcio
3.4%
Hierro
4.7%
Otros
9.2%
Silicio
25.7%
Otros
7%
Hidrógeno
10%
Carbono
18%
Aluminio
7.5%
Corteza terrestre
(a)
Cuerpo humano
(b)
» Figura 1.6 Elementos, en
porcentaje en masa, en (a) la corteza
terrestre (incluidos los océanos y la
atmósfera) y (b) el cuerpo humano.
En la tabla 1.2 Á se enlistan algunos de los elementos más conocidos, junto con
las abreviaturas químicas —o símbolos químicos— que usamos para denotarlos. Todos
los elementos conocidos y sus símbolos se listan en el interior de la portada de
este texto. La tabla en la que el símbolo de cada elemento se encierra en un cuadro
se denomina tabla periódica. En ella, los elementos se disponen en columnas de modo
que los que presentan propiedades muy parecidas queden juntos. Describiremos
esta importante herramienta con mayor detalle en la Sección 2.5.
El símbolo de cada elemento consiste en una o dos letras, siendo la primera mayúscula.
En muchos casos estos símbolos se derivan del nombre en inglés del elemento,
pero a veces se derivan de su nombre en latín o griego (última columna de
la tabla 1.2). El lector tendrá que aprender estos símbolos y otros que encontraremos
más adelante en el texto.
Compuestos
Casi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar compuestos.
El hidrógeno gaseoso, por ejemplo, arde en oxígeno para formar agua. Por
otro lado, es posible descomponer agua en sus elementos constituyentes pasando a
través de ella una corriente eléctrica, como se muestra en la figura 1.7 ». El agua pura,
sea cual sea su origen, consiste en 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno en masa.
Esta composición macroscópica del agua corresponde a su composición molecular,
que consta de dos átomos de hidrógeno combinados con uno de oxígeno. Como puede
verse en la tabla 1.3 ¥, las propiedades del agua no se parecen a las de sus elementos
componentes. El hidrógeno, el oxígeno y el agua son sustancias distintas.
La observación de que la composición elemental de un compuesto puro siempre
es la misma se conoce como ley de la composición constante (o ley de las proporciones
definidas). El primero en proponer esta ley fue el químico francés Joseph
Louis Proust (1754-1826) alrededor de 1800. Aunque esta ley se ha conocido durante
casi 200 años, entre algunas personas persiste la creencia general de que hay una
diferencia fundamental entre los compuestos preparados en el laboratorio y los compuestos
correspondientes que se encuentran en la naturaleza. No obstante, un compuesto
puro tiene la misma composición y propiedades sea cual sea su origen. Tanto
los químicos como la naturaleza deben usar los mismos elementos y sujetarse a las
mismas leyes naturales. Las diferencias de composición y propiedades entre dos sustancias
indican que contienen distintos compuestos o que difieren en su grado de
pureza.
Á Figura 1.7 El agua se
descompone en sus elementos
constituyentes, hidrógeno y oxígeno,
cuando se hace pasar una corriente
eléctrica directa a través suyo. El
volumen de hidrógeno (derecha) es el
doble que el volumen de oxígeno
(izquierda).
Ejercicios con el CD-ROM
Electrólisis del agua
(Electrolysis of Water)
TABLA 1.2 Algunos elementos comunes y sus símbolos
Carbono C Aluminio Al Cobre Cu (de cuprum)
Flúor F Bario Ba Hierro Fe (de ferrum)
Hidrógeno H Calcio Ca Plomo Pb (de plumbum)
Yodo I (de iodine) Cloro Cl Mercurio Hg (de hydrargyrum)
Nitrógeno N Helio He Potasio K (de kalium)
Oxígeno O Magnesio Mg Plata Ag (de argentum)
Fósforo P (de phosphorus) Platino Pt Sodio Na (de natrium)
Azufre S (de sulfur) Silicio Si Estaño Sn (de stannum)
Agua Hidrógeno Oxígeno
Estadoa Líquido Gas Gas
Punto de ebullición normal 100°C 253°C 183°C
Densidada 1.00 g mL 0.084 g L 1.33 g L
Inflamable No Sí No
aA temperatura ambiente y presión atmosférica estándar. (Véase la Sección 10.2.)
TABLA 1.3 Comparación de agua, hidrógeno y oxígeno
(a) (b)
» Figura 1.8 (a) Muchos materiales comunes, como las rocas, son heterogéneos.
Esta fotografía amplificada es de malaquita, un mineral de cobre. (b) Las mezclas
homogéneas se llaman disoluciones. Muchas sustancias, como el sólido azul que se
muestra en esta fotografía (sulfato de cobre), se disuelven en agua para formar
soluciones.
Mezclas
Casi toda la materia que nos rodea consiste en mezclas de sustancias. Cada sustancia
de una mezcla conserva su identidad química, y por tanto, sus propiedades. Mientras
que las sustancias puras tienen composición fija, la composición de una mezcla
puede variar. Una taza de café endulzado, por ejemplo, puede contener poca o mucha
azúcar. Las sustancias que constituyen una mezcla (como azúcar y agua) se denominan
componentes de la mezcla.
Algunas mezclas, como la arena, las rocas y la madera, no tienen la misma composición,
propiedades y aspecto en todos sus puntos. Tales mezclas son heterogéneas
[Figura 1.8(a) Á] Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos son homogéneas.
El aire es una mezcla homogénea de las sustancias gaseosas nitrógeno, oxígeno
y cantidades más pequeñas de otras sustancias. El nitrógeno del aire tiene todas
las propiedades del nitrógeno puro, porque tanto la sustancia pura como la mezcla,
contienen las mismas moléculas de nitrógeno. La sal, el azúcar y muchas otras sustancias
se disuelven en agua para formar mezclas homogéneas [Figura 1.8(b)]. Las
mezclas homogéneas también se llaman disoluciones. La figura 1.9 » resume la
clasificación de la materia en elementos, compuestos y mezclas.
EJERCICIO TIPO 1.1
El “oro blanco” empleado en joyería contiene dos elementos, oro y paladio. Dos muestras distintas
de oro blanco difieren en las cantidades relativas de oro y paladio que contienen. Ambas
tienen composición uniforme. Sin saber más acerca de los materiales, ¿cómo clasificaría al oro
blanco?
Solución Usemos el esquema de la figura 1.9. Dado que el material es uniforme, es homogéneo.
Puesto que su composición difiere entre las dos muestras, no puede ser un compuesto; debe ser
una mezcla homogénea. Podemos decir que el oro y el paladio forman una disolución sólida.
EJERCICIO DE APLICACIÓN
La aspirina se compone de 60.0% de carbono, 4.5% de hidrógeno y 35.5% de oxígeno en masa,
sea cual sea su origen. ¿La aspirina es una mezcla o un compuesto?
Respuesta: un compuesto, porque su composición es constante
Homogénea
Mezcla
homogénea
(disolución)
Sustancia pura
¿Se puede
descomponer
en sustancias
más simples?
NO SÍ
Elemento Compuesto
Materia
¿Es uniforme en
todas sus partes?
NO
Mezcla
heterogénea
SÍ
¿Tiene
composición
variable?
NO SÍ
Á Figura 1.9 Esquema de clasificación de la materia. En el nivel químico, toda la materia
se clasifica en última instancia como elementos o compuestos.
1.3 Propiedades de la materia
Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades: características que permiten
reconocerla y distinguirla de otras sustancias. Por ejemplo, las propiedades dadas en
la tabla 1.3 nos permiten distinguir el hidrógeno, el oxígeno y el agua. Las propiedades
de la materia se pueden agrupar en dos categorías: físicas y químicas. Podemos
medir las propiedades físicas sin cambiar la identidad ni la composición de la sustancia.
Estas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusión, punto de
ebullición y dureza. Las propiedades químicas describen la forma en que una sustancia
puede cambiar o reaccionar para formar otras sustancias. Por ejemplo, una propiedad
química común es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia para arder
en presencia de oxígeno.
Algunas propiedades —como la temperatura, el punto de fusión y la densidad—
no dependen de la cantidad de muestra que se está examinando. Estas propiedades,
llamadas propiedades intensivas, son especialmente útiles en química porque muchas
de ellas pueden servir para identificar las sustancias. Las propiedades extensivas
de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e incluyen mediciones de
la masa y el volumen. Las propiedades extensivas tienen que ver con la cantidad
de sustancia presente.
Ejercicios con el CD-ROM
Clasificación de la materia
(Classification of Matter)
Mezcla de hidrógeno y oxígeno Agua
Soplete
» Figura 1.10 En las reacciones
químicas, la identidad química de las
sustancias cambia. Aquí, una mezcla
de hidrógeno y oxígeno sufre un
cambio químico para formar agua.
(a) (b) (c)
Á Figura 1.11 La reacción química entre un centavo de cobre y ácido nítrico. El cobre
disuelto produce la disolución azul-verdosa; el gas marrón rojizo que se produce es dióxido
de nitrógeno.
Cambios físicos y químicos
Al igual que se hace con las propiedades de una sustancia, los cambios que sufren
las sustancias se pueden clasificar como físicos o químicos. Durante un cambio físico,
las sustancias varían su apariencia física pero no su composición. La evaporación
del agua es un cambio físico. Cuando el agua se evapora, cambia del estado
líquido al gaseoso, pero sigue estando constituida por moléculas de agua, como se
mostró en la figura 1.4. Todos los cambios de estado (por ejemplo, de líquido a gas
o de líquido a sólido) son cambios físicos.
En los cambios químicos (también llamados reacciones químicas), las sustancias
se transforman en sustancias químicamente distintas. Por ejemplo, cuando se
quema hidrógeno en aire, sufre un cambio químico porque se combina con oxígeno
para formar agua. Este proceso, visto desde la perspectiva molecular, se ilustra en la
figura 1.10 Á.
Los cambios físicos pueden ser drásticos. En el siguiente relato, Ira Remsen,
autor de un gustado texto de química publicado en 1901, describe sus primeras experiencias
con las reacciones químicas. La reacción química que observó se muestra en
la figura 1.11 ¥.
Mientras leía un texto de química, me topé con la afirmación de que “el ácido nítrico actúa
sobre el cobre”, y decidí averiguar qué significaba esto. Habiendo encontrado un poco de
ácido nítrico, sólo me faltaba aprender qué significaban las palabras “actúa sobre”. En aras
de este conocimiento, estaba incluso dispuesto a sacrificar uno de los pocos centavos de cobre
que tenía en mi haber. Coloqué uno de ellos en la mesa, abrí un frasco rotulado “Acido
nítrico”, vertí un poco del líquido sobre el cobre y me preparé a efectuar una
observación. Pero, ¿qué maravilla estaba contemplando? El centavo ya había cambiado, y
el cambio no había sido pequeño. Un líquido azul-verdoso espumaba y producía humos
sobre el centavo y sobre la mesa. El aire adquirió un color rojo oscuro. ¿Cómo podía pararse
esto? Intenté coger el centavo y lanzarlo por la ventana, y aprendí algo más: el ácido
nítrico actúa sobre los dedos. El dolor me orilló a efectuar otro experimento no
premeditado. Froté los dedos contra mi pantalón y descubrí que el ácido nítrico actúa sobre
los pantalones. Ése fue el experimento más impresionante que jamás he realizado, y
lo sigo relatando todavía con interés; fue una revelación para mí. Es evidente que la única
forma de enterarse de este tipo de acciones extraordinarias es ver los resultados, experimentar,
trabajar en el laboratorio.
Separación de mezclas
Dado que cada componente de una mezcla conservan sus propiedades, podemos separar
una mezcla en sus componentes aprovechando las diferencias en sus propiedades.
Por ejemplo, una mezcla heterogénea de limaduras de hierro y limaduras de
oro podría separarse, trocito por trocito y con base en el color, en hierro y oro. Una
estrategia menos tediosa sería usar un imán para atraer las limaduras de hierro,
dejando atrás las partículas de oro. También podemos aprovechar una importante diferencia
química entre estos dos metales: muchos ácidos disuelven el hierro pero no
el oro. Por tanto, si colocamos nuestra mezcla en un ácido apropiado, el hierro se
disolverá y sólo quedará el oro. Luego podrían separarse las sustancias por filtración,
procedimiento que se ilustra en la figura 1.12 ¥. Tendríamos que usar otras reacciones
químicas, que conoceremos más adelante, para transformar el hierro disuelto
otra vez en metal.
Podemos separar mezclas homogéneas en sus constituyentes de formas similares.
Por ejemplo, el agua tiene un punto de ebullición mucho más bajo que la sal de
mesa; ésta es más volátil. Si hervimos una disolución de sal y agua, ésta, al ser más
volátil, se evaporará, y la sal quedará en el fondo del recipiente. El vapor de agua se
(a) (b)
« Figura 1.12 Separación por
filtración. Una mezcla de un sólido
y un líquido se vierte a través de
un medio poroso, en este caso
papel filtro. El líquido atraviesa el papel,
mientras que el sólido permanece en
éste.
Ejercicios con el CD-ROM
Mezclas y compuestos
(Mixtures and Compounds)
Mechero
Entrada de agua fría
Pinza
para
Salida de agua fría matraz
Agua salada
Agua pura
Condensador
Matraz
receptor
Matraz de
ebullición
Á Figura 1.13 Aparato sencillo para separar una disolución de cloruro de sodio (agua
salada) en sus componentes. Al hervir la disolución, el agua se evapora, y luego se condensa
y recoge en el matraz receptor. Una vez que se ha evaporado toda el agua, queda cloruro
de sodio puro en el matraz de ebullición.
(a) (b) (c)
Á Figura 1.14 Separación de tinta en sus componentes mediante cromatografía en
papel. (a) El agua comienza a subir por el papel. (b) El agua pasa por la mancha de tinta,
disolviendo diferentes componentes de la tinta con distinta rapidez. (c) El agua ha separado
la tinta en sus diversos componentes.
convierte otra vez en líquido en las paredes de un condensador (Figura 1.13 Á). Este
proceso se llama destilación.
También podemos aprovechar las diferentes capacidades de las sustancias para
adherirse a las superficies de diversos sólidos como el papel y el almidón, y así separar
mezclas. Éste es el fundamento de la cromatografía (literalmente, “escritura en
colores”), una técnica que puede producir resultados hermosos e impactantes. En la
figura 1.14 ¥ se muestra un ejemplo de la separación cromatográfica de una tinta.
Ejercicios con el CD-ROM
Destilación de agua salada
(Distillation of Saltwater)
Ejercicios con el CD-ROM
Cromatografía de tinta en papel
(Paper Chromatography of Ink)
La química es una ciencia experimental. La idea de usar experimentos
para entender la naturaleza nos parece un patrón de razonamiento
muy común hoy en día, pero hubo una época, antes del siglo XVII,
en la que raras veces se experimentaba. Los antiguos griegos, por
ejemplo, no se basaban en experimentos para probar sus ideas.
Aunque dos científicos casi nunca enfocan el mismo problema
de la misma manera exactamente, existen pautas para la práctica de
la ciencia que han adquirido el nombre de método científico. Estas
pautas se bosquejan en la figura 1.15 ¥. Comenzamos por recabar información,
o datos, mediante observaciones y experimentos. Sin embargo,
la recolección de información no es la meta final. Lo que se
busca es encontrar un patrón o sentido de orden en nuestras observaciones,
y entender el origen de ese orden.
Al realizar nuestros experimentos, podríamos comenzar a ver
patrones que nos llevan a una explicación tentativa o hipótesis que
nos guía para planear experimentos adicionales. En algún momento,
tal vez logremos vincular un gran número de observaciones en términos
de un solo enunciado o ecuación llamado ley científica. Una
ley científica es una expresión verbal concisa o una ecuación matemática
que resume una amplia variedad de observaciones y experiencias. Tendemos
a considerar las leyes de la naturaleza como las reglas fundamentales
bajo las cuales ella opera. Sin embargo, no es tanto que la materia
obedezca las leyes de la naturaleza, sino más bien que sus leyes
describen el comportamiento de la materia.
En muchas etapas de nuestros estudios tal vez propongamos
explicaciones de por qué la naturaleza se comporta de cierta manera.
Si una hipótesis tiene la suficiente generalidad y predice de forma
Una perspectiva más detallada El método científico
consistente hechos que todavía no se observan, se le denomina
teoría o modelo. Una teoría es una explicación de los principios generales
de ciertos fenómenos, apoyada en una cantidad considerable de pruebas
o hechos. Por ejemplo, la teoría de la relatividad de Einstein fue una
forma nueva y revolucionaria de ver el espacio y el tiempo. Sin embargo,
fue algo más que una simple hipótesis, porque sirvió para hacer
predicciones que se podían probar experimentalmente. Cuando
se realizaron esos experimentos, los resultados coincidieron en general
con las predicciones, y no podían explicarse con la teoría anterior
del espacio-tiempo basada en los trabajos de Newton. Así, la
teoría especial de la relatividad quedó sustentada, aunque no demostrada.
De hecho, es imposible demostrar que una teoría es absolutamente
correcta.
Conforme avancemos en este texto, pocas veces tendremos la
oportunidad de comentar las dudas, conflictos, choques de personalidades
y revoluciones de percepción que han dado lugar a nuestras
ideas actuales. Necesitamos ser conscientes de que el hecho de
que podamos presentar los resultados de la ciencia de forma tan concisa
y pulcra en los libros de texto no quiere decir que el progreso
científico sea continuo, seguro y predecible. Algunas de las ideas que
hemos presentado en este texto tardaron siglos en desarrollarse e implicaron
a un gran número de científicos. Adquirimos nuestra visión
del mundo natural parándonos en los hombros de los científicos que
vinieron antes de nosotros. Aprovechemos esta visión. Durante nuestros
estudios, ejercitemos la imaginación. No debemos dudar en hacer
preguntas atrevidas cuando se nos ocurran; ¡podríamos descubrir
algo fascinante!
Formular y probar
hipótesis
Observaciones y Teoría
experimentos
Encontrar patrones,
tendencias y leyes
Á Figura 1.15 El método científico es una forma general de enfocar los problemas que
implica hacer observaciones, buscar patrones en ellas, formular hipótesis para explicar las
observaciones y probar esas hipótesis con experimentos adicionales. Las hipótesis que resisten
tales pruebas y demuestran su utilidad para explicar y predecir un comportamiento reciben el
nombre de teorías.
1.4 Unidades de medición
Muchas propiedades de la materia son cuantitativas; es decir, están asociadas a números.
Cuando un número representa una cantidad medida, siempre debemos especificar
las unidades de esa cantidad. Decir que la longitud de un lápiz es 17.5 no tiene
sentido. Decir que mide 17.5 centímetros (cm) especifica correctamente la longitud.
Las unidades que se emplean para mediciones científicas son las del sistema métrico.
El sistema métrico, que se desarrolló inicialmente en Francia a fines del siglo
XVIII, se emplea como sistema de medición en casi todos los países del mundo. En Estados
Unidos se ha usado tradicionalmente el sistema inglés, aunque el empleo del
sistema métrico se ha hecho más común en los últimos años. Por ejemplo, el contenido
de casi todos los productos enlatados y bebidas gaseosas en las tiendas de
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INTRODUCCIÓN MATERIA Y MEDICIÓN
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