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Estructura de la materia

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la nomenclatura

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Stephen Rhoton Revisado por Stephen Rhoton Graduado en Ingeniería de Sistemas Biológicos El átomo es la partícula más simple que forma la materia y diferencia una sustancia de otra según su composición. En la actualidad, se conoce que el átomo está formado por electrones, protones y neutrones. A su vez, estos están compuestos por partículas subatómicas más pequeñas, los cuarks. Los átomos de una misma clase forman los elementos de la tabla periódica. Así, los átomos del hidrógeno se caracterizan por tener un electrón y un protón, mientras el átomo de oxígeno posee 8 electrones, 8 protones y 8 neutrones. Los átomos pueden unirse para formar moléculas. Por ejemplo, el agua está formada por átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar la molécula de agua H₂O, esto es, dos átomos de hidrógeno por un átomo de oxígeno. Si esta combinación cambia, estamos en presencia de otra sustancia. Un caso es el agua oxigenada (H₂O₂), que está formada por dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno.

Qué es la materia Stephen Rhoton Revisado por Stephen Rhoton Graduado en Ingeniería de Sistemas Biológicos La materia en química y física es todo lo que ocupa un espacio y tiene masa, forma, peso y volumen. Por lo tanto, es lo que se puede observar y medir, un elemento físico o corpóreo en oposición a algo abstracto o espiritual. Se conoce también como sustancias o cuerpos, y contiene energía. La materia está compuesta por átomos y partículas subatómicas, como lo son los neutrones, protones, electrones, cuarks o muones. Cada tipo de átomo corresponde a un elemento. Algunos ejemplos son hidrógeno, oxígeno, carbono, plomo o potasio. En este sentido, la materia puede ser compuesta por un solo elemento o una combinación de ellos. Otra característica de la materia es que es propensa a cambiar en el tiempo. Las interacciones entre sustancias diferentes resultan en un intercambio de energía, lo que se traduce en cambios de estado, mezclas o reacciones químicas. Con relación a los estados, la materia puede hallarse en cuatro estados fundamentales: sólido, líquido, gas y plasma. Variar de estado no cambia la naturaleza de la materia, pero sí la forma en la que sus partículas se distribuyen y enlazan.

¿Qué es la química? La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, incluyendo su relación con la energía y también los cambios que pueden darse en ella a través de las llamadas reacciones. Es la ciencia que estudia las sustancias y las partículas que las componen, así como las distintas dinámicas que entre éstas pueden darse. La química es una de las grandes ciencias contemporáneas, cuya aparición revolucionó el mundo para siempre. Esta ciencia ha ofrecido explicaciones funcionales y comprobables para la compleja conducta de los materiales conocidos, capaces de explicar tanto su permanencia como sus cambios. Por otro lado, los conocimientos químicos están presentes en la vida cotidiana, en la medida en que empleamos sustancias naturales y creamos otras artificiales. Procesos como la cocción, la fermentación, la metalurgia, la creación de materiales inteligentes e incluso muchos de los procesos que tienen lugar en nuestros cuerpos, pueden ser explicados a través de una perspectiva química (o bioquímica).

Importancia de la química La química se encuentra presente en la gran mayoría de los procesos industriales, así como en aspectos muy cotidianos de nuestra vida. Gracias a ella hemos desarrollado materiales complejos adaptados a nuestras diversas necesidades a lo largo de la historia. Desde las aleaciones metálicas, hasta los compuestos farmacológicos o los combustibles para impulsar nuestros medios de transporte, el conocimiento de las reacciones químicas ha sido fundamental. De hecho, gracias a la química hemos modificado el mundo a nuestro alrededor, para bien y para mal. Por otro lado, probablemente la química nos brindará el conocimiento para enmendar los daños producidos al ecosistema a lo largo de nuestra historia.

Equipo Editorial Revisado por Equipo Editorial Creado y revisado por nuestros expertos Qué es la nomenclatura química Se llama nomenclatura química a un sistema de reglas que permite dar nombre a los diferentes compuestos químicos según el tipo y número de elementos que los componen. La nomenclatura permite identificar, clasificar y organizar los compuestos químicos. El propósito de la nomenclatura química es asignar a las sustancias químicas nombres y fórmulas, llamados también descriptores, de manera que sean fácilmente reconocibles y se pueda consolidar una convención. Dentro de la nomenclatura química, se distinguen dos grandes grupos de compuestos: Compuestos orgánicos, referidos a aquellos con presencia de carbono enlazado con moléculas de hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno, boro y ciertos halógenos; Compuestos inorgánicos, que se refieren a todo el universo de compuestos químicos que no incluyen moléculas de carbono.

¿Qué es un enlace químico? Un enlace químico es la fuerza que une a los átomos para formar compuestos químicos. Esta unión le confiere estabilidad al compuesto resultante. La energía necesaria para romper un enlace químico se denomina energía de enlace. En este proceso los átomos ceden o comparten electrones de la capa de valencia (la capa externa de un átomo donde se determina su reactividad o su tendencia a formar enlaces), y se unen constituyendo nuevas sustancias homogéneas (no mezclas), inseparables a través de mecanismos físicos como el filtrado o el tamizado. Es un hecho que los átomos que forman la materia tienden a unirse a través de diversos métodos que equilibran o comparten sus cargas eléctricas naturales para alcanzar condiciones más estables que cuando están separados. Los enlaces químicos constituyen la formación de moléculas orgánicas e inorgánicas y, por tanto, son parte de la base de la existencia de los organismos vivos. De manera semejante, los enlaces químicos pueden romperse bajo ciertas y determinadas condiciones. Esto puede ocurrir sometiendo los compuestos químicos a altas temperaturas, aplicando electricidad o propiciando reacciones químicas con otros compuestos. Por ejemplo, si aplicamos electricidad al agua es posible separar las uniones químicas entre el hidrógeno y el oxígeno que la conforman, este proceso se denomina electrólisis. Otro ejemplo consiste en añadir grandes cantidades de energía calórica a una proteína, lo cual llevaría a desnaturalizarla (perder la estructura secundaria de una proteína) o romper sus enlaces.

La química es la ciencia natural que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, ya sea en forma de elementos, especies, compuestos, mezclas u otras sustancias, así como los cambios que estas experimentan durante las reacciones y su relación con la energía química. Linus Pauling la definió como la ciencia que estudia las sustancias, su estructura (tipos y formas de acomodo de los átomos), sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias en referencia con el tiempo.La química, a través de una de sus ramas conocida como química supramolecular, se ocupa principalmente de las agrupaciones supratómicas, como son los gases, las moléculas, los cristales y los metales, estudiando su composición, propiedades estadísticas, transformaciones y reacciones; si bien la química general también incluye la comprensión de las propiedades e interacciones de la materia a escala atómica.

La industria química es el conjunto de actividades de índole económica que se centran en la obtención y transformación de materiales y compuestos, aplicando para ello procedimientos de naturaleza química. Incluye tanto la obtención de la materia prima para alimentar otras industrias (químicas o no), como el procesamiento de componentes químicos para obtener compuestos útiles determinados. Por lo tanto, se trata de una industria tanto del primer sector como del segundo sector de la cadena productiva. Dicho de otro modo, la industria química emplea materiales de origen animal o mineral como fuente de químicos, para su extracción y potencial recombinación, empleando las tecnologías que el ser humano ha creado para manipular la materia a nivel molecular. Dependiendo del destino que tengan dichos materiales, podemos distinguir entre dos tipos de industria química.

Por materia se entienden diversos conceptos, esencialmente uno físico y uno filosófico. Según el físico, la materia es todo aquello que ocupa un lugar en el universo, posee una cantidad determinada de energía y está sujeto a interacciones con instrumentos de medición y cambios en el tiempo. Filosóficamente hablando, la materia es cada uno de los elementos constituyentes de la realidad objetiva, que pueden ser percibidos de la misma manera por sujetos diversos. Generalmente, se emplea el término “materia” como sinónimo de sustancia, de aquello de lo que están hechas todas las cosas. Sin embargo, este concepto fue evolucionando ya que muchas de las leyes del universo descubiertas por la física retan nuestro mismo entendimiento, y consideran que la materia también puede ser un fenómeno perceptible que se transmite en el espacio-tiempo.

Los estados de la materia son las diversas formas en que se presenta la materia en el universo. Se conocen también como estados de agregación de la materia, ya que las partículas se agregan o agrupan de maneras diferentes en cada estado. Se puede considerar que existen cuatro estados físicos y fundamentales de la materia, tomando en cuenta aquellas formas de agregación que se presentan bajo condiciones naturales. Los estados fundamentales de la materia son:

Estado sólido: En este estado, las partículas tienen mayor atracción entre ellas, lo que reduce su movimiento y las posibilidades de interacción. Algunos ejemplos de materia en estado sólido son rocas, madera, utensilios de metal, vidrio, hielo, grafito, ropa y granos de café.

Estado líquido: Este estado corresponde a los fluidos cuyo volumen es constante, pero se adapta a la forma de su contenedor

Estado gaseoso: En este estado, las partículas tienen alta movilidad y baja atracción entre ellas

Estado plasmático: Este estado se refiere a gases calientes con carga eléctrica

La materia se clasifica en sustancias y mezclas. Las sustancias son aquellas que tienen una composición fija y un único conjunto de propiedades. Las sustancias se dividen en elementos y compuestos. Los elementos son los que no se pueden descomponer en otras sustancias más simples, y los compuestos son los que se forman por la unión de dos o más elementos. Las mezclas son combinaciones de sustancias puras en proporciones variables o diferentes. Las mezclas se pueden separar por métodos físicos, como la filtración, la destilación o la cristalización. La materia también se puede clasificar según su origen en animal o vegetal4. La materia se identifica por su masa, su inercia y el espacio que ocupa. La materia puede presentarse en tres estados: sólido, líquido y gaseoso.

Los cambios físicos de la materia son cambios que alteran su forma sin modificar su composición. Durante un cambio físico, la sustancia no varía, es decir, no implica una reacción química. Se trata de cambios de estado de agregación de la materia (sólido, líquido, gaseoso) y otras propiedades físicas como el color, la densidad o el magnetismo. Los cambios físicos suelen ser reversibles ya que alteran la forma o el estado de la materia, pero no su composición. Como su nombre lo indica, los cambios físicos implican alteraciones en algunas de las propiedades físicas de la materia, como pueden ser su estado de agregación, su dureza, su forma, tamaño, color, volumen o densidad. Solo en raras ocasiones este tipo de cambios implica un reordenamiento sustancial de los átomos (como ocurre en la formación de cristales). El hombre utiliza métodos físicos (basados en cambios físicos de la materia) cotidianamente en la industria, en la medicina y en muchas otras aplicaciones. Ejemplos de estos son los métodos físicos de separación de mezclas (como la destilación, la decantación, la filtración y la sedimentación) así como la aplicación de altas presiones para licuar un gas o la aplicación de altas temperaturas para transformar un líquido en vapor.

Las propiedades generales de la materia son

Masa: es la cantidad de materia que contiene un cuerpo, y se suele medir en kilogramos (kg). Por ejemplo, un kilogramo de arena tiene la misma masa que un kilogramo de aire, aunque sean partículas distintas.

Volumen o extensión: es el espacio que ocupa un cuerpo, medido usualmente en litros (l) o metros cúbicos (m3). Un litro de agua, mercurio o metal fundido ocuparán un mismo volumen, aunque difieran en otras propiedades.

Peso: es la fuerza que ejerce la gravedad sobre los cuerpos, expresado en Newton (N). Es una propiedad que depende de la cantidad de masa y del cuerpo que ejerce la gravedad. Un kilogramo de plomo tendrá un peso menor en la luna respecto a la Tierra, pero mayor en Júpiter.

Porosidad: se trata del espacio que existe entre las partículas. Es una característica que cambia según la temperatura y presión, ya que cambia según el estado de agregación de la materia (sólido, líquido, gas, plasma). Aun así, toda materia contiene porosidad, sin importar su estado.

Inercia: es la característica que impide a la materia moverse sin intervención de una fuerza externa. Cuando una fuerza externa es aplicada, la inercia implica que la materia seguirá moviéndose a menos que se apliquen otras fuerzas externas, como la fricción o el peso de otro cuerpo.

Las propiedades generales de la materia son:

Extensión. Espacio o volumen que ocupa un determinado cuerpo.

Masa. Cantidad de materia que contiene un cuerpo.

Inercia. Capacidad de conservar su estado de reposo o movimiento sin intervención de una fuerza.

Porosidad. Espacio que existe entre las partículas de un cuerpo.

Divisibilidad. Capacidad de subdivisión en partes más pequeñas de la materia.

Peso. Fuerza que ejerce la gravedad sobre un cuerpo materia.

La teoría atómica es un marco conceptual que describe la naturaleza fundamental de la materia a nivel más pequeño. Propone que la materia está compuesta por unidades básicas llamadas átomos, que son las unidades más pequeñas e indivisibles de un elemento químico. La teoría del átomo proporciona un modelo para entender la estructura y el comportamiento de los átomos, así como sus interacciones en reacciones químicas.

El átomo, de acuerdo con el modelo atómico actual, está dividido en dos partes:

El núcleo: esta parte está formada por neutrones y protones.

La corteza: formada únicamente por electrones.

En la ciencia de la química, los elementos se clasifican y ordenan en la tabla periódica, en la cual aparece el nombre de cada elemento junto con su respectiva abreviatura o símbolo, así como otros datos de interés. Los elementos fueron designados con nombres simples y únicos, mientras que los nombres de los compuestos químicos fueron establecidos a partir de los nombres de sus elementos constituyentes más una serie de sufijos. Existen tres sistemas de nomenclatura química: el sistema estequiométrico o sistemático, el sistema funcional, clásico o tradicional, y el sistema STOCK. La importancia de la nomenclatura química radica en la posibilidad de nombrar, organizar y clasificar los diversos tipos de compuestos químico.

Esta valencia es la que indica la cantidad de electrones que pone en juego un átomo durante un enlace químico. Esta nomenclatura se forma de la siguiente forma: nombre genérico + de + nombre del elemento específico + el estado de oxidación. Ejemplo: óxido de hierro (II), óxido de cromo (VI).

El Estado de Oxidación (EO), o también Número de Oxidación, indica el grado de oxidación, es decir, el número de electrones que gana o pierde para formar compuestos con otros elementos. Ejemplo: en el NaCl, el sodio cede un electrón (Na+) y el cloro lo recibe (Cl-) → el estado de oxidación del sodio es +1 y el del cloro -1. Un mismo elemento puede tener varios estados de oxidación (positivos, negativos o nulos) permitiendo formar diferentes compuestos con los mismos elementos: Cloro en estado de oxidación -1: NaCl (cloruro sódico), HCl (ácido clorhídrico) Cloro en estado de oxidación +1: Cl2O (óxido hipocloroso) Cloro en estado de oxidación +3: Cl2O3 (óxido cloroso) Cloro en estado de oxidación +5: Cl2O5 (óxido clórico) Cloro en estado de oxidación +7: Cl2O7 (óxido perclórico)

Un enlace químico es la fuerza que une a los átomos para formar compuestos químicos. Esta unión le confiere estabilidad al compuesto resultante. La energía necesaria para romper un enlace químico se denomina energía de enlace. En este proceso los átomos ceden o comparten electrones de la capa de valencia (la capa externa de un átomo donde se determina su reactividad o su tendencia a formar enlaces), y se unen constituyendo nuevas sustancias homogéneas (no mezclas), inseparables a través de mecanismos físicos como el filtrado o el tamizado. Es un hecho que los átomos que forman la materia tienden a unirse a través de diversos métodos que equilibran o comparten sus cargas eléctricas naturales para alcanzar condiciones más estables que cuando están separados. Los enlaces químicos constituyen la formación de moléculas orgánicas e inorgánicas y, por tanto, son parte de la base de la existencia de los organismos vivos. De manera semejante, los enlaces químicos pueden romperse bajo ciertas y determinadas condiciones. Esto puede ocurrir sometiendo los compuestos químicos a altas temperaturas, aplicando electricidad o propiciando reacciones químicas con otros compuestos. Por ejemplo, si aplicamos electricidad al agua es posible separar las uniones químicas entre el hidrógeno y el oxígeno que la conforman, este proceso se denomina electrólisis. Otro ejemplo consiste en añadir grandes cantidades de energía calórica a una proteína, lo cual llevaría a desnaturalizarla (perder la estructura secundaria de una proteína) o romper sus enlaces.

Existen tres tipos de enlace químico conocidos, dependiendo de la naturaleza de los átomos involucrados:

Enlace covalente: Ocurre entre átomos no metálicos y de cargas electromagnéticas semejantes (por lo general altas), que se unen y comparten algunos pares de electrones de su capa de valencia.

Enlace iónico: Se forma cuando se unen un metal y un no metal (es decir, un componente con poca electronegatividad con uno con mucha).

Enlace metálico: Se da entre átomos de metales, que comparten sus electrones de valencia.

La electronegatividad es una propiedad periódica relativa que concierne a la capacidad de un átomo de atraer densidad electrónica de su entorno molecular. Se trata de la tendencia de un átomo a atraer electrones hacia sí cuando está unido a una molécula. Esto se refleja en el comportamiento de muchos compuestos y en cómo interactúan intermolecularmente unos con otros. Anuncios En otras palabras, mientras más electronegativo sea un átomo, mayor capacidad tendrá de atraer electrones de otros átomos; asimismo, tendrá un más alto potencial de ionización, que le permite mantener sus electrones frente a la atracción externa mientras atrae electrones de los átomos circundantes. Ahora bien, no todos los elementos atraen en igual grado los electrones de los átomos adyacentes. Para el caso de aquellos que ceden densidad electrónica con facilidad, se dice que son electropositivos, mientras que los que se “cubren” de electrones, son electronegativos. Existen muchas maneras de explicar y observar esta propiedad (o concepto).

La estructura de Lewis es toda aquella representación de los enlaces covalentes dentro de una molécula o un ion. En ella, dichos enlaces y los electrones se representan con puntos o guiones largos, aunque la mayoría de las veces los puntos corresponden a los electrones no compartidos y los guiones a los enlaces covalentes. Anuncios Pero, ¿qué es un enlace covalente? Es la compartición de un par de electrones (o puntos) entre dos átomos cualquiera de la tabla periódica. Con estos diagramas se pueden bosquejar muchos esqueletos para un determinado compuesto. Cuál de ellos es el correcto dependerá de las cargas formales y de la naturaleza química de los mismos átomos. Compuesto 2-bromopropano. By Ben Mills [Public domain], from Wikimedia Commons. En la imagen superior se tiene un ejemplo de lo que es una estructura de Lewis. En este caso el compuesto representado es el 2-bromopropano. Pueden apreciarse los puntos negros correspondientes a los electrones, tanto los que participan en los enlaces como los no compartidos (el único par justo arriba del Br). Si los pares de puntos “:” se sustituyeran por un guion largo “–“, entonces el esqueleto carbonado del 2-bromopropano se representaría como: C–C–C. ¿Por qué en lugar del “armazón molecular” dibujado, no podría ser C–H–H–C? La respuesta reside en las características electrónicas propias de cada átomo.