INTRODUCCION AL CURSO DE QUIMICA
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Índice
||1|| Introducción ||2|| Para los novatos ||3|| Que es la química ||4|| Generalidades de la materia | ||7|| La química antigua y arcaica ||8|| La química medieval y moderna ||9|| Modelos ||10|| Los métodos científicos |
Portada
1. Introducción
La química es el estudio científico de las propiedades y el comportamiento de la materia. Es una ciencia natural que abarca desde los elementos que componen la materia hasta los compuestos por átomos, moléculas e iones: su composición, estructura, propiedades, comportamiento y los cambios que experimentan durante una reacción con otras sustancias. A veces se le llama la ciencia central porque proporciona una base para comprender las disciplinas científicas básicas y aplicadas a un nivel fundamental.
Por ejemplo, la química explica aspectos del crecimiento de las plantas (botánica), la formación de rocas ígneas (geología), cómo se forma el ozono atmosférico y cómo se degradan los contaminantes ambientales (ecología), las propiedades del suelo en la luna (cosmoquímica), cómo cómo funcionan los medicamentos (farmacología) y cómo recolectar evidencia de ADN en la escena del crimen (medicina forense).
1.1 Abū Mūsā Jābir ibn Ḥayyān (Geber/Jabir)
(806-816) es el presunto autor de una enorme cantidad y variedad de obras en árabe, a menudo llamadas corpus jabirianos. Las obras que sobreviven en la actualidad tratan principalmente de alquimia y química, magia y filosofía religiosa chiíta. Sin embargo, el alcance original del corpus era vasto y diverso, y cubría una amplia gama de temas que iban desde la cosmología, la astronomía y la astrología, pasando por la medicina, la farmacología, la zoología y la botánica, hasta la metafísica, la lógica y la gramática.
Las obras de Jabir contienen la clasificación sistemática más antigua conocida de sustancias químicas y las instrucciones más antiguas conocidas para derivar un compuesto inorgánico (sal amoniacal o cloruro de amonio) a partir de sustancias orgánicas (como plantas, sangre y cabello) por medios químicos (Kraus, 1942). Sus obras también contienen una de las primeras versiones conocidas de la teoría de los metales del azufre y el mercurio, una teoría mineralógica que se mantendría dominante hasta el siglo XVIII.
Una parte importante de los escritos de Jabir se basó en una teoría filosófica conocida como "la ciencia del equilibrio" (árabe: ʿilm al-mīzān), cuyo objetivo era reducir todos los fenómenos (incluidas las sustancias materiales y sus elementos) a un sistema de medidas y proporciones cuantitativas. Las obras de Jabir también contienen algunas de las doctrinas escatológicas, soteriológicas e imamológicas chiítas más antiguas conservadas, que Jabir presentó como derivadas de su supuesto maestro, el imán chiíta Jaʿfar al-Ṣādiq.
Ya en el siglo X, la identidad y el corpus exacto de las obras de Jabir estaban en disputa en los círculos académicos islámicos. Los eruditos modernos también ponen en duda la autoría de todas estas obras por una sola figura, e incluso la existencia de un Jabir histórico. En cambio, se cree que Jabir ibn Hayyan fue un seudónimo utilizado por una escuela anónima de alquimistas chiítas que escribieron a finales del siglo IX y principios del X.
Algunas obras árabes jabirianas (p. ej., El gran libro de la misericordia y El libro de los setenta) se tradujeron al latín con el nombre latinizado de Geber, y en la Europa del siglo XIII un escritor anónimo, generalmente conocido como pseudo-Geber, comenzó a producir escritos alquímicos y metalúrgicos bajo este nombre .
2. Para los novatos
Aunque éste sea tu primer curso de química, indudablemente existen algunas ideas preconcebidas acerca de la naturaleza de las ciencias en general y de la química en particular. Probablemente pienses que la química solo se practique en un laboratorio por alguien vestido con una bata blanca que estudia cosas en tubos de ensayo. Esta descripción es buena hasta cierto punto, la química es principalmente una ciencia experimental y gran parte de su conocimiento deriva de la investigación en el laboratorio. Adicionalmente, en la actualidad los químicos pueden usar computadoras para estudiar la estructura microscópica y las propiedades químicas de sustancias o emplear equipos electrónicos sofisticados para analizar sustancias químicas complejas como la polución. Muchas fronteras de la biología y la medicina están actualmente siendo exploradas al nivel de los átomos y moléculas.
Aunque es cierto que muchos de los problemas medioambientales de la actualidad han sido causados por la industria química, en la actualidad dichas ciencia busca soluciones para los problemas medioambientales. Adicionalmente, la química sirve como puente de comunicación entre el conocimiento físico y el conocimiento biológico, por lo cual algunos autores la denominan la ciencia central. Comparada con otros objetos del conocimiento, comúnmente la química es descrita como mucho más difícil al menos en sus niveles introductorios. Existe cierta justificación para esta percepción. Por un lado, la química posee un vocabulario muy especializado, lo cual provoca que aprender la química inicialmente sea como prender un nuevo lenguaje, luego está el asunto matemático…
Adicionalmente muchos de sus conceptos teóricos y modelos son abstractos, es decir no existen necesariamente en la naturaleza, aunque los empleamos para explicarla. A pesar de lo anterior con diligencia usted podrá completar este curso de química de forma exitosa y tal vez placentera, pero para esto es necesario que siga atentamente las siguientes sugerencias:
1- Asiste regularmente clases, y toma notas de forma cuidadosa y ordena
2- De ser posible siempre repasa los temas el mismo día en que se vieron en clase.
3- Piensa críticamente sobre ti mismo, pregunta que si realmente entendiste el significado de un tema o del uso de una ecuación. Una buena manera determinar esto es ver si eres capaz de explicárselo a un compañero u otra persona.
4- No temas hacer preguntas al profesor o monitor.
5- Con diligencia te das cuenta de que la química es mucho más que números, fórmulas y modelos abstractos. Es una disciplina lógica llena de ideas y aplicaciones interesantes.
Charles tiene 13 años y tiene sobrepeso. Su médico está preocupado de que Charles esté en riesgo de tener diabetes tipo 2 y aconseja a su madre que haga una cita con un dietista. Daniel, un dietista, les explica que elegir los alimentos adecuados es importante para vivir un estilo de vida saludable, perder peso y prevenir o controlar la diabetes. Daniel también explica que la comida contiene energía potencial o almacenada, y diferentes alimentos contienen diferentes cantidades de energía potencial. Por ejemplo, los carbohidratos contienen 4 kcal / g mientras que las grasas contienen 9 kcal / g. Luego explica que las dietas altas en grasa requieren más ejercicio para quemar las grasas, ya que contienen más energía potencial y el cuerpo prefiere quemar primero los carbohidratos. Daniel alienta a Charles y su madre a incluir cereales integrales, frutas y verduras en su dieta en lugar de alimentos con alto contenido de grasas. También discuten las etiquetas de los alimentos y el hecho de que se necesitan porciones más pequeñas de alimentos saludables para perder peso. Antes de irse, a Charles y su madre se les da un menú para las siguientes dos semanas, así como un diario para llevar un registro de qué y cuánto consumen en realidad.
Los dietistas se especializan en ayudar a las personas a aprender sobre la buena nutrición y la necesidad de una dieta equilibrada. Esto les exige comprender los procesos bioquímicos, la importancia de las vitaminas y las etiquetas de los alimentos, así como las diferencias entre los carbohidratos, las grasas y las proteínas en términos de su valor energético y cómo se metabolizan. Los dietistas trabajan en una variedad de entornos que incluyen hospitales, hogares de ancianos, cafeterías escolares y clínicas de salud pública. En estos entornos, crean dietas especializadas para individuos diagnosticados con una enfermedad específica o crean planes de comidas para quienes están en un hogar de ancianos.
Todos los días, vemos una variedad de materiales con muchos tamaños y siluetas diferentes. Para un científico, todo este material que está a nuestro alrededor: el jugo de naranja que tomamos para el desayuno, el agua que bebemos después de hacer ejercicio; es susceptible de ser estudiado, la química específicamente se encarga de estudiar los cambios que sufren los materiales y como estos cambios pueden emplearse para mejorar nuestras vidas. La materia está en todas partes, la cafetera, la bolsa de plástico donde colocamos el pan, nuestro cepillo de dientes y pasta de dientes, el oxígeno que inhalamos y el dióxido de carbono que exhalamos, así como la carne que nos compone o los pensamientos que nos permiten leer este texto. Cuando miramos a su alrededor, vemos que la materia toma la forma física de un sólido, un líquido, un gas o un plasma. El agua es un ejemplo familiar que observamos rutinariamente en los tres estados. En estado sólido, el agua puede ser un cubo de hielo o un copo de nieve.
Es un líquido cuando sale de un grifo o llena una piscina. El agua forma un gas, o vapor, cuando se evapora de la ropa mojada o hierve en una sartén. En estos ejemplos, el agua cambia de estado al ganar o perder energía. Por ejemplo, se agrega energía para derretir cubitos de hielo y hervir agua en una tetera. Por el contrario, se elimina la energía para congelar el agua líquida en una bandeja de cubitos de hielo y para condensar el vapor de agua en gotas líquidas. Casi todo lo que hacemos involucra energía, y el estado de plasma es un evento que solo ocurre cuando se adiciona mucha energía, el agua pura no puede llegar al estado de plasma porque se divide en sus sustancias básicas, el oxígeno y el hidrógeno, el plasma es un estado especial de la materia que es incandescente y el mejor ejemplo que tenemos de él son las lenguas de las llamas. Usamos energía cuando calentamos agua, cocinamos alimentos, encendemos luces, caminamos, estudiamos, usamos una lavadora o conducimos nuestros automóviles. Por supuesto, esa energía tiene que provenir de algún lugar, alguien debe pagar por la fiesta. En nuestros cuerpos, los alimentos que comemos nos proporcionan energía. La energía de la quema de combustibles fósiles o del Sol se usa para calentar una casa o regar una piscina. Uno de los mayores retos de la química moderna es proveer fuentes de energía limpias y baratas.
Adicionalmente esto nos recuerda una cosa, el principio de la química debe ser la materialidad de las sustancias, no los modelos que empleamos para describirlas, por lo que nuestro discurso siempre debe ir desde lo evidente a lo abstracto. Es por esto que en esta introducción no hemos discutido ni átomos, moléculas, iones o fotones, todas estas estructuras tienen una historia, pero no son evidentes en sí mismas al mirar la materia como en un vaso de agua.
Mira a tu alrededor la gran variedad de colores, texturas y otras propiedades en los materiales que nos rodean: los colores en un jardín, la textura de la tela en tu ropa, la solubilidad del azúcar en una taza de café o la belleza y complejidad de una geoda “figura 2” como la que se muestra en la siguiente figura. ¿Cómo podemos explicar la sorprendente y aparentemente infinita variedad de propiedades de los materiales que componen nuestro mundo? ¿Qué hace que los diamantes sean transparentes y duros? Un gran cristal de cloruro de sodio, sal de mesa, se parece un poco a un diamante, pero es quebradizo y se disuelve fácilmente en el agua. ¿Qué explica las diferencias? ¿Por qué el papel se quema y por qué el agua apaga incendios? Las respuestas a todas estas preguntas se encuentran en las estructuras de los átomos, que determinan las propiedades físicas y químicas de la materia.
Toda la materia que nos rodea está hecha de aproximadamente 100 tipos de sustancias básicas, estas sustancias básicas componen todo lo demás, pero no pueden ser separadas en otras sustancias estables, por lo que reciben el nombre de elementos. Esta definición se rastrea a Robert Boyle en 1661 y es una definición que de por sí no depende de entidades abstractas como los átomos. Por ejemplo, el agua cuando sufre una fuerte descarga eléctrica se descompone, desaparece como agua, y en su lugar se generan dos gases diferentes llamados hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso, estos dos gases no responden a la electricidad o a otro método que intente separarlos, de allí que son sustancias básicas o elementos. Por otra parte, para la obtención de los elementos que componen al agua hemos requerido una transferencia energética, en este caso en forma de electricidad. Esto nos lleva a otra de las principales conclusiones de esta sección, toda materia está vinculada a un estado de energía, como sucede en los alimentos.
3 Que es la química
[Versión en YouTube] La química es la Ciencia de la Naturaleza que se enfoca en el estudio de la composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia. Como ciencia, esta se basa en el estudio sistemático de su objeto, pero a demás de ello, tiene implicaciones filosóficas como el naturalismo metodológico.
Recuerda que una ciencia de la naturaleza se caracteriza por su enfoque en comprender el funcionamiento del mundo natural, basándose exclusivamente en las leyes y fenómenos naturales, sin recurrir a conceptos relacionados con dioses, espíritus u entidades metafísicas. Esta distinción la separa de enfoques más antiguos de estudio de la materia, como algunas escuelas de alquimia, que incorporaban explicaciones de naturaleza espiritual en sus teorías.
La materia abarca todas las sustancias que componen nuestro mundo, desde átomos, iones y otras partículas invisibles, hasta los alimentos que consumimos, los componentes de nuestros músculos y huesos, la tierra que pisamos, el aire que respiramos e incluso los colores que percibimos, así como la materia presente en las estrellas y galaxias. Quizás imaginas que la química tiene lugar solo en un laboratorio en el que un químico trabaja con bata blanca y gafas protectoras. En realidad, la química sucede a tu alrededor todos los días y tiene un impacto en todo lo que usas y haces. Estás haciendo química cuando cocinas alimentos, agregas lejía a la ropa o enciendes un automóvil. Se ha producido una reacción química cuando la plata se mancha o una pastilla antiácida emite chispas al caer al agua. Las plantas crecen porque las reacciones químicas convierten el dióxido de carbono, el agua y la energía en carbohidratos. Las reacciones químicas ocurren cuando digieres los alimentos y los descompones en sustancias que necesitas para energía y salud (Timberlake, 2015)
Una sustancia química es una sustancia que siempre tiene la misma composición y propiedades donde sea que se encuentre. Todas las cosas que ves a tu alrededor están compuestas por una o más sustancias químicas. Los procesos químicos tienen lugar en laboratorios de química, plantas de fabricación y laboratorios de productos farmacéuticos, así como todos los días en la naturaleza y en nuestros cuerpos. A menudo, los términos sustancia química y sustancia se usan indistintamente para describir un tipo específico de materia. Todos los días, utilizas productos que contienen sustancias que fueron desarrolladas y preparadas por químicos. Los jabones y champús contienen productos químicos que eliminan los aceites en la piel y el cuero cabelludo. Cuando se cepilla los dientes, las sustancias en la pasta de dientes limpian sus dientes, previenen la formación de placa y detienen la caries dental.
En cosméticos y lociones, los productos químicos se utilizan para hidratar, prevenir el deterioro del producto, combatir las bacterias y espesar el producto. Su ropa puede estar hecha de materiales naturales como algodón o sustancias sintéticas como nylon o poliéster. Tal vez lleves un anillo o un reloj hecho de oro, plata o platino. Tu cereal de desayuno probablemente esté fortificado con hierro, calcio y fósforo, mientras que la leche que bebe está enriquecida con vitaminas A y D así como ácidos grasos poliinsaturados como el DHA. Los antioxidantes son sustancias químicas que se agregan a los alimentos para evitar que se echen a perder.
La propia comida posee en si misma sustancias químicas, por ejemplo la fruta de la banana comercial (Musa spp.,) contiene sustancias químicas tales como agua 75%; glucosa, fructosa, sacarosa, maltosa, almidón y fibra 12%; glutamato aspartato, histidina, leucina, lisinam fenilalanina, arginina, valina, alanina, serinam glicinam treonina, isoleucina, prolina menos del 1%; ácido palmítico, omega-6, ácido linoleico, omega-3, ácido linoleico, ácido oleico, ácido mirístico, ácido cáprico, cenizas, gitoesteroles, ácido oxálico, tiamina; colorante amarillo-naranja E101 o riboflavina, colorante amarillo marrón E160A, entre otros.
La química se preocupa particularmente por la forma en que las sustancias cambian, a menudo dramáticamente, cuando interactúan entre sí en reacciones químicas. Al comprender tales cambios en un nivel fundamental, los químicos han podido crear materiales que nunca antes se habían encontrado en la tierra: materiales con propiedades especialmente deseables que satisfacen las necesidades específicas de la sociedad. Por ejemplo, los plásticos sintéticos, las cerámicas y las aleaciones de metales ahora permiten a los ingenieros y arquitectos construir estructuras que nunca hubieran sido posibles utilizando solo materiales naturales. El conocimiento de los aspectos fundamentales de las reacciones químicas también ha permitido a los biólogos desarrollar una comprensión fundamental de muchos de los procesos que tienen lugar en los organismos vivos. Debido a su amplio alcance, la química afecta a todas las ciencias, razón por la cual algunos la han llamado la ciencia central. Aunque puede que no planees ser un químico, cierto conocimiento de química seguramente será valioso para ti (Jespersen, Brady, & Hyslop, 2012).
La química ocupa una posición intermedia en una jerarquía de las ciencias desde el punto de vista reduccionista entre la física y la biología sgún el modelo de Comte (Fanelli, 2010). A veces se la denomina ciencia central porque proporciona una base para comprender las disciplinas científicas básicas y aplicadas a un nivel fundamental (T. L. Brown et al., 2015). Los ejemplos incluyen la química de plantas (botánica), la formación de rocas ígneas (geología), cómo se forma el ozono atmosférico y cómo se degradan los contaminantes ambientales (ecología), las propiedades del suelo en la luna (astrofísica), cómo funcionan los medicamentos (farmacología) y cómo recolectar evidencia de ADN en la escena del crimen (análisis forense).
4 Generalidades de la materia
En química, la materia se define como cualquier cosa que tiene masa y volumen en reposo (ocupa espacio) y está formada por partículas. Las partículas que componen la materia también tienen masa en reposo; no todas las partículas tienen masa en reposo, como el fotón. La materia puede ser una sustancia química pura o una mezcla de sustancias.
4.1 El átomo
El átomo es la unidad básica de la química. Consiste en un núcleo denso llamado núcleo atómico rodeado por un espacio ocupado por una nube de electrones. El núcleo está formado por protones cargados positivamente y neutrones sin carga (en conjunto llamados nucleones), mientras que la nube de electrones está formada por electrones cargados negativamente que orbitan alrededor del núcleo. En un átomo neutro, los electrones cargados negativamente equilibran la carga positiva de los protones. El núcleo es denso; la masa de un nucleón es aproximadamente 1.836 veces la de un electrón, pero el radio de un átomo es aproximadamente 10 000 veces mayor que el de su núcleo (Van Melsen, 2004).
El átomo es también la entidad más pequeña que se puede considerar para retener las propiedades químicas del elemento al cual compone cuando se agrupa, como electronegatividad, potencial de ionización, estado(s) de oxidación preferido(s), número de coordinación y tipos preferidos de enlaces a formar (por ejemplo, metálico, iónico , covalente).
4.2 Elemento
Un elemento químico es una sustancia pura que se compone de partículas homogéneas. La mayoría de los elementos están formados por superagrupaciones llamadas metales, otros elementos están formados por moléculas que agrupan a más de un átomo del elemento, pero solo los gases nobles son sustancias generadas por átomos libres. La característica común es que sin importar como se asocien, o que no se asocien, el número atómico de los átomos que forman la sustancia llamada elemento es la misma.
El número atómico Z indica la cantidad de protones, partículas que condicionan la carga positiva total y el comportamiento químico de un átomo. Aunque todos los núcleos de todos los átomos pertenecientes a un elemento tendrán el mismo número atómico, es posible que no tengan necesariamente el mismo número de masa; Los átomos de un elemento que tienen diferente número de masa se conocen como isótopos. Por ejemplo, todos los átomos con 6 protones en sus núcleos son átomos del elemento químico carbono, pero los átomos de carbono pueden tener un número de masa de 12, 13 o 14 (Nagel, 1982).
La presentación estándar de los elementos químicos se encuentra en la tabla periódica, que ordena los elementos por número atómico. La tabla periódica se organiza en grupos o columnas y periodos o filas. La tabla periódica es útil para identificar tendencias periódicas.
Figura 4.3. La tabla periódica de Walther es uno de los modelos mas empleados en Colombia.
4.3 Molécula
Una molécula es la porción indivisible más pequeña de una sustancia química pura que tiene su conjunto único de propiedades químicas, es decir, su potencial para sufrir un determinado conjunto de reacciones químicas con otras sustancias. Sin embargo, esta definición solo funciona bien para sustancias que están compuestas de moléculas, lo que no es cierto para muchas sustancias. Las moléculas suelen ser un conjunto de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes, de modo que la estructura es eléctricamente neutra y todos los electrones de valencia están emparejados con otros electrones en enlaces o en pares solitarios.
Por tanto, las moléculas existen como unidades eléctricamente neutras, a diferencia de los iones. Cuando se rompe esta regla, dando a la "molécula" una carga, el resultado a veces se denomina ion molecular o ion poliatómico. Sin embargo, la naturaleza discreta y separada del concepto molecular generalmente requiere que los iones moleculares estén presentes solo en forma bien separada, como un haz dirigido en el vacío en un espectrómetro de masas, pero si sirven como entidades teóricas útiles en ciertos cálculos.
4.4 Compuesto
Un compuesto es una sustancia química pura formada por átomos de más de un elemento. Las propiedades de un compuesto guardan poca similitud con las de sus elementos. La nomenclatura estándar de compuestos la establece la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los compuestos orgánicos se nombran de acuerdo con el sistema de nomenclatura orgánica almacenado en el Libro Azul de la IUPAC (IUPAC, 2001). Los nombres de los compuestos inorgánicos se crean de acuerdo con el sistema de nomenclatura inorgánica cuyas recomendaciones se encuentran en el Libro Rojo de la IUPAC (Connelly, Damhus, Hartshorn, & Hutton, 2005). Además, el Chemical Abstracts Service ha ideado un método para indexar sustancias químicas. En este esquema, cada sustancia química es identificable por un número conocido como su número de registro CAS.
5 Generalidades del lenguaje
Fundada en julio de 1919 para crear un lenguaje común para la química que permita la organización de la información química en un momento en que los químicos nombraban compuestos de forma rutinaria de acuerdo con sus preferencias personales, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha evolucionado con los tiempos. El lenguaje que creó inicialmente la IUPAC se basó en el modo de comunicación de hace cien años (verbal y/o escrito) y durante el último siglo ese lenguaje y sus estándares relacionados han facilitado con éxito el rápido avance de la ciencia. Aunque ha habido grandes cambios en la química y la tecnología de la información durante el siglo pasado, los desafíos de comunicación que enfrentan los químicos siguen siendo sorprendentemente similares a los de hace un siglo. A lo largo de los años, los estándares de la IUPAC han seguido desempeñando un papel esencial para garantizar que los enfoques innovadores para la gestión de la información sean consistentes y compatibles con versiones anteriores para facilitar el acceso continuo al rico registro histórico de la disciplina.
5.1 Símbolos de los elementos
La química tiene su propio lenguaje, como símbolo, ecuación, ion, valencia, átomo, elemento, molécula, reacción, etc. Un símbolo químico denota, en resumen, un elemento particular o un átomo de ese elemento, aunque más lo segundo que lo primero. Las reacciones químicas son más fáciles de escribir con símbolos químicos que tener que escribir largos nombres químicos. Muchos científicos han ideado varios métodos para la representación simbólica.
5.2 Tabla periódica.
los símbolos de los elementos químicos, así como muchos de sus propiedades fundamentales sustancias se encuentran consignados en el instrumento denominado la tabla periódica.
La tabla periódica recibe su nombre debido al hecho de que muchas sustancias químicas poseen propiedades que se van repitiendo, generando grupos de sustancias u organismos familias y nos permiten predecir las propiedades de dichas sustancias en haciendo algunos mundos de dichas familias
Para poder construir la tabla periódica fue necesario la creación de una técnica que permite estandarizar el peso relativo de los átomos al interior de los elementos como sustancias, dicha técnica fue conocida como la técnica de Cannizzaro, la cual se basó en los presupuestos fundamentales, y en su momento sumamente hipotéticos, de la existencia de los átomos “ hipótesis de Dalton” y la existencia de las moléculas “Hipótesis de Avogadro”, usando las sustancias gaseosas como sistema de medición básico.
5.3 Poder de enlace
La valencia es la capacidad de combinación de un elemento, su poder de enlace. En otras palabras, el número de electrones que un átomo puede ganar o compartir o perder cuando tiene lugar una reacción química define su valencia. La clasificación de los elementos en monovalentes, divalentes, etc. se realiza en función de su valencia. Las moléculas se forman para satisfacer la valencia de un átomo.
5.4 Formulación de compuestos y sus nombres
Una reacción química implica la transformación de un conjunto de sustancias químicas en otro conjunto. Conduce a cambios en las propiedades químicas y físicas de una sustancia. También conduce al cambio en el estado físico y la composición de esa sustancia. Las sustancias con más de dos elementos unidos químicamente se conocen como compuestos. La fórmula química representa los elementos de los que está hecho un compuesto, empleando los símbolos de los elementos que componen al compuesto y subíndices que indicar la proporción relativa o verdadera de esos elementos en cada molécula, donde el subíndice 1 va implícito.
La fórmula química juega un papel importante en la comprensión de la formación de una sustancia y las proporciones de los elementos en una reacción química específica. Es vital conocer el símbolo de los elementos de un compuesto, la valencia de los elementos y la fórmula de los radicales para escribir una fórmula química.
Existen muchos tipos de fórmulas químicas cuyas reglas de escritura dependiendo del nivel de especificidad que pretendemos modelar, sin embargo, las dos más comunes son las fórmulas empíricas y moleculares. Las fórmulas empíricas obedecieron inicialmente a proporciones de una sustancia en términos de reacciones de descomposición y llevaron a la idea de la existencia de los átomos como explicación fundamental de las proporciones definidas. Por otro lado, las fórmulas moleculares representan la verdadera proporción en términos de número de átomos que compone un compuesto de elementos formados por moléculas.
Tanto el Libro Rojo como el Libro Azul publicado es por la unión internacional de química pura y aplicada (Connelly et al., 2005; IUPAC, 2001), lidian con el problema de nombrar las sustancias dependiendo de sus fórmulas moleculares y también de sus distribución tridimensional es decir su estructura.
5.5 Reacciones químicas
Una reacción química es un cambio en la identidad de las sustancias denominadas reactivos, para formar nuevas sustancias que denominamos productos, debido a un cambio en la estructura y organización de los átomos que componen a las sustancias y un cambio energético asociado.
Podemos distinguir las reacciones químicas en base a su estructura siendo clasificadas como: de descomposición; síntesis; desplazamiento; o doble desplazamiento.
También podemos distinguir las reacciones químicas en base a su consumo producción energética siendo aquellas que consumen calor como endotérmicas y aquellas que producen calor como exotérmicas.
Para representar estos procesos químicos han desarrollado un lenguaje que representa a estos cambios y se los denomina en su conjunto como una ecuación química. Los símbolos más básicos de una ecuación química es el + que representa la mezcla o combinación de los reactivos de manera apropiada para que estos reaccionen; y → qué representa un cambio de estado del sistema, desde un estado inicial a un estado final y normalmente se lee como produce.
De acuerdo con la ley de conservación de la masa, la cantidad de cada elemento no cambia en una reacción química, lo que significa que cada lado de la ecuación química debe equivaler a la misma cantidad de cualquier elemento en particular. En una reacción química, la carga también se conserva. Por lo tanto, ambos lados de la ecuación balanceada deben representar la misma carga. Las ecuaciones balanceadas se pueden escribir utilizando los coeficientes de números enteros más pequeños. El coeficiente 1 está implícito cuando no hay ningún coeficiente antes de una fórmula química.
6 Generalidades de los cálculos químicos
Uno de los temas tradicionales de la química lidia con el cálculo de cantidades físicas, que conoceremos como los parámetros, magnitudes o condiciones bajo los cuales se manifiestan las propiedades de un sistema químico. Algunos parámetros son altamente variables y otros son constantes universalmente, así como otros que solo son constante bajo ciertas condiciones especiales.
6.1 Unidades y medidas
Para poder identificar los parámetros que condicionan los sistemas, estos deben ser estandarizados a través de un nombre, una unidad estándar, y símbolos para ambos, cuestión con la que lidia el Sistema Internacional de Unidades (Stock, 2018) y el Libro de Oro de la IUPAC (IUPAC, 2020). Con base a estas fuentes se definen siete parámetros fundamentales:
👉 masa medida en kilogramos.
👉 longitud en metros.
👉 cantidad de sustancia en moles.
👉 tiempo en segundos.
👉 temperatura el kelvins.
👉 intensidad luminosa en candelas.
👉 intensidad de corriente en amperios.
A parte de estas siete existen otros parámetros cuyas unidades de medida surgen por combinaciones, o por la falta de unidades, con las cuales podemos crear modelos llamados leyes naturales.
6.2 Leyes naturales
Las leyes científicas o leyes de la ciencia son declaraciones, basadas en experimentos u observaciones repetidos, que describen o predicen una variedad de fenómenos naturales. Por lo general, una ley se puede formular como uno o varios enunciados o ecuaciones, de modo que pueda predecir el resultado de un experimento. Las leyes difieren de las hipótesis y los postulados, que se proponen durante el proceso científico antes y durante la validación mediante experimentación y observación. Las hipótesis y los postulados no son leyes, ya que no han sido verificados en el mismo grado, aunque pueden conducir a la formulación de leyes.
Matemáticamente hablando, las leyes se corporizan en fórmulas matemáticas, las cuales obedecen a funciones como la recta, o la exponencial:
Aunque existen leyes que implican funciones matemáticas más complejas, las leyes fundamentales con las que iniciamos la enseñanza de la química son en su gran mayoría lineales, siendo rectas ascendentes que indican una relación de proporcionalidad directa con un intersecto (b) en el origen, como es el caso de la segunda ley de Avogadro \(V = Vm \cdot n\), donde \(V\) es el volumen de un gas en litros, \(V_m\) es una constante que funciona como la pendiente y n es la cantidad de sustancia en moles.
En base a las leyes naturales se pueden plantear ejercicios de lápiz y papel que involucran calcular algún término o parámetro que constituye a la ecuación, conociendo los demás, lo cual involucra la manipulación algebraica.
6.3 Diferencia entre problema y ejercicio
Los ejercicios de lápiz y papel que afrontamos en ciencias naturales especialmente en química y en física, pueden ser clasificados en dos categorías diferentes: problemas y ejercicios. Aunque parecen dos categorías exactamente iguales existen diferencias importantes.
Los problemas son situaciones con un alcance general, para estas situaciones no existe un plan estandarizado de la resolución, qué denominamos algoritmo. En otras palabras, son situaciones para las cuales debemos diseñar nuestro propio algoritmo empleando las leyes fundamentales de la física, la química y las matemáticas. También tendremos un problema cuando nos pidan demostrar porque un algoritmo es realmente válido, más allá de una contrastación trivial valores numéricos.
Los químicos tienden a contrastar las leyes, pero no a demostrarlas, lo cual se hace evidente en sus libros de texto, pues nos presentan algoritmos de solución, pero no nos indican porque estos son válidos más allá de darnos ejemplos numéricos donde estos funcionan bien. Por el contrario, los físicos si tienen una tradición de demostrar las leyes empleando, otras leyes previas combinadas ingeniosamente con las leyes del álgebra y las leyes del cálculo, proceso que denominamos demostración matemática.
Por su parte un ejercicio es una situación trivial para la actualidad tenemos un procedimiento estandarizado que se encuentra sumarizado en un algoritmo o en una ecuación despejada, la cual ya está lista para reemplazar y calcular.
6.4 Algoritmos químicos
Aunque muchos capítulos de un libro de texto de química emplean ecuaciones, cómo podemos verlo en el capítulo de gases o en el capítulo de cinética química, muchos otros capítulos emplean lo qué se denomina como aritmética y química, la cual se basa en el uso de diagramas de flujo combinados con factores de conversión. Esta tradición se encuentra enraizada en el manejo de proporciones, razones o radios para encontrar relaciones de proporcionalidad químicas, pero genera un contraste con los capítulos que si usan ecuaciones.
En nuestro curso de química trataremos de romper con esta tradición manejando todas las matemáticas con ecuaciones.
6.5 Cambios de estado
Algunos parámetros químicos como la masa de una sustancia cambian con el tiempo. Podemos medir el cambio de dos formas, como un cambio de estado discreto o como un cambio de estado infinitesimal. La mayoría de los cambios de estado usados en los capítulos iniciales del curso de química son cambios discretos donde analizamos un momento inicial y un momento final, pero sin que nos importe como se dieron los cambios en medio de esos dos momentos.
Por el contrario, un cambio de estado infinitesimal o instantáneo debería permitirnos determinar cómo cambia el sistema para cualquier rango de tiempo.
7 La química antigua y arcaica
La palabra química proviene de la alquimia, que se refería a un conjunto anterior de prácticas que abarcaban elementos de la química, la metalurgia, la filosofía, la astrología, la astronomía, el misticismo y la medicina.
A menudo se considera vinculado a la búsqueda de convertir el plomo u otro material de partida común en oro. La palabra moderna alquimia a su vez se deriva de la palabra árabe al-kīmīā (الکیمیاء). En origen, el término está tomado del griego χημία o χημεία. Esto puede tener orígenes egipcios ya que al-kīmīā se deriva del griego χημία, que a su vez deriva de la palabra Chemi o Kimi, que es el antiguo nombre en egipcio. Alternativamente, al-kīmīā puede derivar de χημεία, que significa "fundirse" (Brock, 2016; Jensen, 1998; Kuhn, 1952; Larrañaga, Lewis, & Lewis, 2016).
7.1 El concepto de química
La definición de química ha cambiado con el tiempo, a medida que los nuevos descubrimientos y teorías se agregan a la funcionalidad de la ciencia.
El término "química", en opinión del célebre científico Robert Boyle en 1661 (figura 2), significó el tema de los principios materiales de los cuerpos mixtos. La definición de 1730 de la palabra "química", tal como la usó Georg Ernst Stahl, significó el arte de resolver cuerpos mixtos, compuestos o agregados en sus principios; y de componer tales cuerpos a partir de esos principios. En 1837, Jean-Baptiste Dumas consideró la palabra "química" para referirse a la ciencia relacionada con las leyes y los efectos de las fuerzas moleculares. Esta definición evolucionó aún más hasta que, en 1947, llegó a significar la ciencia de las sustancias: su estructura, sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias, una caracterización aceptada por Linus Pauling. Más recientemente, en 1998, el profesor Raymond Chang amplió la definición de "química" para significar el estudio de la materia y los cambios que sufre (Brock, 2016; Jensen, 1998; Kuhn, 1952; Larrañaga et al., 2016).
7.2 La química va más allá de la humanidad
La química es casi tan vieja como la humanidad, e incluso podría afirmarse que la química va más allá de la humanidad, toda especie humana “primates pertenecientes al género Homo” capaz de dominar el fuego sería también capaz de realizar procesos de transformación de la materia, desde procesos simples como endurecer la punta de un palo de madera al fuego, hasta procesos realmente complejos.
Investigaciones recientes demuestran que otras especies humanas como el hombre de Neandertal era capaz de realizar procesos de trasformación química complejos, como la destilación de pegamento de alquitrán en medio anaeróbico para fijar las puntas de piedra a sus lanzas de manera más firme empleando cascaras de huevo, residuos vegetales, lodo y carbón ardiente (Kozowyk, Soressi, Pomstra, & Langejans, 2017). Cualquier error haría arder el contenido.
El alquitrán es un pegamento poderoso útil para las puntas de lanza más robustas que empleaban los neandertales. Pero el problema es que no es una sustancia que se obtenga fácilmente, debido a que cualquier fallo provoca un incendio y la obtención de cenizas en lugar del pegamento. La razón de esto es que el alquitrán se obtiene al destilar o separar los aceites viscosos vegetales del agua y otros líquidos volátiles de ámbar, muestras se savia o corteza vegetal. Todos sabemos que, si calentamos muestras vegetales, se llega raídamente al punto de ignición. Y al quemarse el material orgánico, lo que se obtienen son inútiles cenizas en lugar del pegamento deseado. Para destilar ese pegamento es necesario emplear un medio anaeróbico, que impida la presencia de oxígeno. Este recipiente también podría llegar a quemarse debido a que posiblemente estaría hecho de materia orgánica, así que un truco para lograr la transferencia de calor es usar una capa de tierra aislante.
De esta manera la llama se encendería sobre el montículo, pero la capa de tierra y el recipiente impiden la entrada de oxígeno, y sin oxígeno la materia orgánica no puede encenderse, lo que permite, la transformación del material natural, en otro que no es tan natural, con propósitos tecnológicos y prácticos, una imposición de la mente sobre la materia para fines concretos.
Se cree que las habilidades para controlar con precisión las temperaturas del fuego y para manipular las propiedades adhesivas requieren rasgos mentales avanzados. Sin embargo, la importancia otorgada a la tecnología adhesiva en estos debates ha superado rápidamente nuestra comprensión de la química del alquitrán de corteza de abedul y su fabricación utilizando técnicas anteriores a la era de la cerámica.
Es posible obtener cantidades útiles de alquitrán combinando materiales y tecnología ya en uso por los neandertales. No se requiere un recipiente de cerámica, y el control de temperatura no necesita ser tan preciso como se pensaba. Sin embargo, los neandertales deben haber sido capaces de reconocer ciertas propiedades “químicas” de los materiales, como adherencia y viscosidad. De esta manera, los equipos combinados de arqueólogos, antropólogos y químicos han reinventado la tecnología de la producción de pequeñas trazas de alquitrán equivalentes a las encontradas en el registro arqueológico del Paleolítico Medio. En otras palabras, los seres humanos no somos los únicos en planear cambios químicos para crear sustancias que en la naturaleza no existen, es decir, una síntesis química.
7.3 Cambio de identidad
En química, a diferencia de la física, no tenemos únicamente cambios de estado, también tenemos transformaciones químicas que llevan al cambio en la identidad de la sustancia, por lo que la masa de una sustancia A se convierte en una masa de otra sustancia llamada B.
7.4 El animismo, entre la superstición y la practicidad
El fundamento teórico de estos primeros cambios era el animismo, los espíritus eran convocados por el fuego y otras fuerzas para poder realizar las transmutaciones de la materia, las fermentaciones de la cerveza para crear alcohol a partir de bebidas endulzadas involucraba rituales, los creadores de armas podían llegar a ser sacerdotes (Eliade, & Ledesma, 1974), en Japón por ejemplo la bondad o maldad del herrero se transfería a sus armas.
Quienes controlan la química en esta época son fundamentalmente todos, pues solo se necesita fuego para hacer cambios químicos simples, pero quienes destacarían más en las primeras sociedades y posteriormente las primeras civilizaciones serían los herreros, boticarios y médicos chamanes que dominan los materiales naturales para crear armas, y medicamentos. Y, evidentemente, los cocineros, que por muy poco tenidos en cuenta que estén en una historia de la química, es más que evidentemente involucrados que los utensilios de cocina debieron ser los mismos que los primeros utensilios de química, pues, en muchas cocinas lo siguen siendo.
Sin embargo, ninguno de estos oficios se desarrolla para el objeto de explicar los fundamentos de los procesos, por lo que todos los instrumentos se crean para solucionar problemas concretos con aplicaciones inmediatas en cada campo, aunque eso no deja de implicar que instrumentos tan viejos y que proceden de épocas prehistóricas como el mortero, aún se empleen en los laboratorios de química más avanzados, o que de esta época procedan procesos químicos complejos como la fabricación de ladrillos comunes o de azulejos.
Las excavaciones arqueológicas continúan aportando pruebas del uso en Mesopotamia de losas de tierra cocida (pintadas por la parte exterior y después barnizadas) para pavimentar y decorar diferentes sectores de su arquitectura, desde los sencillos hogares hasta los palacios imperiales. Así lo confirman y documentan los descubrimientos hechos en diversos enclaves de la cultura del Imperio Asirio o el Persa, con ejemplos importantes como los frisos de las murallas de Babilonia, la fortaleza de Khorsabad, la antigua ciudad de Nínive, o el Palacio de Susa.
7.5 La química griega
Las primeras civilizaciones, como los egipcios babilonios, indios acumularon conocimiento práctico sobre las artes de la metalurgia, la cerámica y los tintes, pero no desarrollaron una teoría sistemática y abstracta. Una hipótesis química básica surgió por primera vez en la Grecia clásica con la teoría de los cuatro elementos. Tal como Aristóteles propuso definitivamente el fuego, el aire, la tierra y el agua eran los elementos fundamentales a partir de los cuales todo se forma como una combinación de estos.
El atomismo griego data del 440 aC, surgiendo en obras de filósofos como Demócrito (Figura 3) y Epicuro. En 50 aC, el filósofo romano Lucrecio amplió la teoría en su libro De rerum natura (Sobre la naturaleza de las cosas). A diferencia de los conceptos modernos de la ciencia, el atomismo griego era de naturaleza puramente filosófica, con poca preocupación por las observaciones empíricas y sin interés por los experimentos químicos, aunque filósofos como Platón les dotaron de formas asociadas a los elementos de Aristóteles en la forma de los estoiqueias. En el mundo helenístico, el arte de la alquimia primero prolifera, mezclando magia y ocultismo en el estudio de las sustancias naturales con el objetivo final de transmutar elementos en oro y descubrir el elixir de la vida eterna. El trabajo, en particular el desarrollo de la destilación, continuó en el período bizantino temprano, siendo Zósimo de Panopolis un alquimista griego-egipcio su exponente más famoso (Lloyd, 2012; Sherwood Taylor, 1937).
8 La química medieveal y moderna
8.1 La química árabe
La alquimia continuó desarrollándose y practicándose en todo el mundo árabe después de las conquistas musulmanas, y desde allí, y desde los remanentes bizantinos, se difundió en la Europa medieval y renacentista a través de traducciones latinas. Algunos químicos musulmanes influyentes fueron Abū al-Rayhān al- Bīrūnī, Avicenna (Figura 4) y Al-Kindi, quienes se opusieron al esoterismo y los cuatro elementos de la alquimia clásica, particularmente la teoría de la transmutación de metales; y al-Tusi describió una versión de la conservación de la masa, señalando que un cuerpo de materia puede cambiar, pero no puede desaparecer.
El desarrollo del método científico moderno fue lento y arduo, pero un método científico temprano para la química comenzó a emerger entre los primeros químicos musulmanes, a partir del siglo noveno el filósofo árabe ibn Hayyān (conocido como "Geber" en Europa), que es a veces denominado "el padre de la química", introdujo un enfoque sistemático y experimental para la investigación científica basada en el laboratorio, en contraste con los antiguos alquimistas griegos y egipcios, cuyas obras fueron en gran parte alegórica y, a menudo ininteligible. Los alquimistas árabes se comunicaban entre ellos y criticaban, lo cual implica la aparición de las primeras comunidades científicas, con un lenguaje propio y problemas de investigación comunes (Cobb & Goldwhite, 2001).
8.2 La ilustración
Bajo la influencia de los nuevos métodos empíricos propuestos por Sir Francis Bacon y otros, un grupo de químicos en Oxford, Robert Boyle, Robert Hooke y John Mayow comenzaron a remodelar las viejas tradiciones alquímicas en una disciplina científica. Boyle, en particular, es considerado como el padre fundador de la química occidental debido a su trabajo más importante, el texto clásico de la química “El químico escéptico” (Boyle, 1911) donde se hace la diferenciación entre las pretensiones de la alquimia y los descubrimientos científicos empíricos de la nueva química. Formuló la ley de Boyle, rechazó los "cuatro elementos" clásicos y propuso una alternativa mecanicista de átomos y reacciones químicas que podrían estar sujetos a un experimento riguroso (Brock, 2016; Jensen, 1998; Kuhn, 1952; Larrañaga et al., 2016).
8.3 El flogisto, el átomo y la química de gases
La teoría del flogisto (una sustancia en la raíz de toda la combustión) fue propuesta por el alemán Georg Ernst Stahl (Figura 5) a principios del siglo XVIII y fue anulada por el químico francés Antoine Lavoisier (Figura 6), el análogo químico de Newton en el siglo pasado para la Física; quien hizo más que ningún otro para establecer la nueva ciencia sobre una base teórica adecuada, elucidando el principio de la conservación de la masa y desarrollando un nuevo sistema de nomenclatura química utilizado hasta el presente, también enfocándose en el desarrollo de textos de enseñanza para popularizar su punto de vista.
Antes de su trabajo, sin embargo, se habían hecho muchos descubrimientos importantes, específicamente relacionados con la naturaleza del "aire" que se descubrió que estaba compuesto por muchos gases diferentes. El químico escocés Joseph Black (el primer químico experimental) y el holandés J. B. van Helmont descubrieron el dióxido de carbono, o lo que llamaron "aire fijo" en 1754; Henry Cavendish descubrió el hidrógeno y dilucidó sus propiedades y Joseph Priestley e, independientemente, Carl Wilhelm Scheele aisló el oxígeno puro (Brock, 2016; Jensen, 1998; Kuhn, 1952; Larrañaga et al., 2016).
8.4 El átomo
El científico inglés John Dalton propuso la teoría moderna de los átomos; que todas las sustancias están compuestas de 'átomos' indivisibles de materia y que átomos diferentes tienen pesos atómicos variables.
El modelo matemático de Dalton presentó fallas graves que casi lo convierten en un hazmerreir científico. Estos problemas fueron corregidos por químicos de gases como Joseph-Louis Gay-Lussac, Amadeo Avogadro, y Stanislao Cannizzaro entre muchos otros. Sin embargo, la teoría atómica no fue fácilmente aceptada y durante casi todo el siglo XIX se dudó de su existencia. Aunque sus afirmaciones no serían confirmadas sino hasta el siglo XX por parte de Perrin y Einstein (Bigg, 2008; Haw, 2002; Philibert, 2006).
8.5 La tabla periódica y la purificación de elementos
El desarrollo de la teoría electroquímica de combinaciones químicas se produjo a principios del siglo XIX como resultado del trabajo de dos científicos en particular, J. J. Berzelius y Humphry Davy (Figura 8.4), hecho posible por la invención previa de la pila voltaica de Alessandro Volta. Davy descubrió nueve elementos nuevos, incluidos los metales alcalinos, extrayéndolos de sus óxidos con corriente eléctrica. El británico William Prout propuso por primera vez ordenar todos los elementos por su peso atómico, ya que todos los átomos tenían un peso que era un múltiplo exacto del peso atómico del hidrógeno. J. A. R. Newlands ideó una tabla inicial de elementos, que luego fue desarrollada en la casi-moderna tabla periódica de elementos en la década de 1860 por Dmitri Mendeleev e independientemente por varios otros científicos como Julius Lothar Meyer. Los gases inertes, más tarde llamados gases nobles, fueron descubiertos por William Ramsay en colaboración con Lord Rayleigh a fines de siglo, completando así la estructura básica de la tabla, aunque muy diferentes de nuestras tablas de mano, las cuales no se estandarizarían sino hasta el siglo XX (Brock, 2016; Jensen, 1998; Kuhn, 1952; Larrañaga et al., 2016).
8.6 La físico-química nuclear y el átomo
A comienzos del siglo XX, los fundamentos teóricos de la química finalmente se comprendieron gracias a una serie de descubrimientos notables que tuvieron éxito al explorar y descubrir la naturaleza misma de la estructura interna de los átomos. En 1897, J. J. Thomson de la Universidad de Cambridge descubrió el electrón y poco después el científico francés Becquerel y la pareja Pierre y Marie Curie investigaron el fenómeno de la radioactividad.
En una serie de experimentos de dispersión pioneros, Ernest Rutherford de la Universidad de Manchester descubrió la estructura interna del átomo y la existencia del protón, clasificó y explicó los diferentes tipos de radiactividad y transmutó con éxito el primer elemento bombardeando nitrógeno con partículas alfa. Su trabajo sobre la estructura atómica fue mejorado por sus estudiantes, el físico danés Niels Bohr y Henry Moseley. La teoría electrónica de enlaces químicos y orbitales moleculares fue desarrollada por los científicos estadounidenses Linus Pauling y Gilbert N. Lewis. El año 2011 fue declarado por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Química. Fue una iniciativa de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, y de la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura e involucra sociedades químicas, académicos e instituciones de todo el mundo y se basó en iniciativas individuales para organizar actividades locales y regionales (Van Melsen, 2004).
8.7 Aclaraciones finales
Esta breve reseña de la historia de la química se realiza desde la perspectiva de la química general o química inorgánica, por lo que se ha excluido de manera consciente los detalles de la historia de la química orgánica, y la bioquímica.
9 Modelos
En química deberemos trabajar con diversos tipos de modelos como son:
👉 modelos del núcleo del átomo;
👉 modelos del átomo completo;
👉 modelos moleculares;
👉 modelos de reacciones químicas;
👉 modelos de un experimento.
👉 modelos matemáticos: algebraicos, aritméticos de lenguaje de programación.
La capacidad que se tiene de comparar los datos experimentales con los del modelo es crucial para la argumentación científica, pero tendemos a despreciar este concepto cuando hablamos del método científico, lo cual genera confusiones o insatisfacción con los informes de laboratorio generados por los estudiantes.
Sin embargo, se hacen basados en una percepción de la realidad. Esta percepción ya es un modelo en sí misma, ya que viene con una restricción física. También existen restricciones sobre lo que podemos con nuestras herramientas y métodos actuales, y restricciones cognitivas que limitan lo que podemos explicar con nuestras teorías actuales. En ocasiones el contexto impide llegar a una conclusión que con el tiempo llega a parecer como evidente en sí misma, como la evolución o el atomismo. Hay que tener en cuenta que la relación abstracto – fenómeno es dual y una nunca reemplaza a la otra, las teorías no se gradúan de hechos, una cosa es un hecho tangible y la otra es la entidad abstracta modelo-teoría que empleamos para describirlo de manera general “teoría” o de manera numéricamente concreta “modelo”.
Un modelo científico busca representar objetos empíricos, fenómenos y procesos físicos de una manera lógica y objetiva. Todos los modelos son abstracciones simuladas bellas que no existen realmente “como las modelos que pasan por photoshop”, es decir, reflejos simplificados de la realidad que, a pesar de ser aproximaciones, pueden ser extremadamente útiles. Construir y disputar modelos es fundamental para la empresa científica. La representación completa y verdadera puede ser imposible, pero el debate científico a menudo se refiere a cuál es el mejor modelo para una tarea determinada, por ejemplo, cuál es el modelo climático más preciso para la predicción estacional. Una misma teoría base puede ser representada por diversos modelos, por ejemplo, la teoría de la evolución postula que los seres vivos cambian, la labor de los modelos es describir como se da el cambio. Del mismo modo en la teoría atómica tenemos que la materia está constituida por pequeñas partículas llamadas átomos, la labor de los modelos es describir la estructura y funcionamiento de los átomos.
Los intentos de formalizar los principios de las ciencias empíricas utilizan una interpretación para modelar la realidad, de la misma manera que los lógicos axiomatizan los principios de la lógica. El objetivo de estos intentos es construir un sistema formal que no produzca consecuencias teóricas que sean contrarias a lo que se encuentra en la realidad llamadas paradojas o contra-ejemplos. Los modelos son el puente que permite hacer predicciones de campo o laboratorio, generar hipótesis concretas y por lo tanto, hacer experimentos, así que el valor del modelo y la teoría que lo sustenta se mide como una consecuencia de su habilidad para explicar y predecir fenómenos que pueden ser manipulados por medio de esos modelos a través del diseño tecnológico (Bailer-Jones, 2009; Justi & Gilbert, 2000; Morgan & Morrison, 1999).
Un modelo es una simplificación y una abstracción orientadas a la tarea y con un propósito de una percepción de la realidad, conformada por restricciones físicas, legales y cognitivas. Se basa en tareas, porque un modelo se captura con una determinada pregunta o tarea en mente. Las simplificaciones dejan afuera todas las entidades conocidas y observadas y su relación que no son importantes para la tarea. La abstracción agrega información que es importante, pero no necesaria con el mismo detalle que el objeto de interés. Ambas actividades, simplificación y abstracción, se hacen a propósito.
Los modelos permiten la simulación de un evento, ya sea en ejercicios de lápiz y papel o por medio de software especializado, lo cual genera una predicción o hipótesis, que puede ser una cualidad del sistema “cambia de un color A a un color B” o un valor cuantificable “una variable determinada debe tener un valor X”, y dicha hipótesis es la que puede ponerse a prueba por medio de un diseño experimental. Aunque en la actualidad las simulaciones se hacen por computadoras con altísimos niveles de detalle, los ejercicios o problemas de lápiz y papel que debemos resolver a lo largo del curso de química también son un método de simulación, así como también lo son los experimentos mentales (Bailer-Jones, 2009; Justi & Gilbert, 2000; Morgan & Morrison, 1999). Los modelos no pueden tener todos los detalles del fenómeno real, ya que perderían utilidad.
10 Los métodos científicos
Probablemente hayas pasado algún tiempo jugando videojuegos, y sepas que aprender a jugar requiere de un proceso lento de prueba y error. Intentas una cosa y te derriban, así que la próxima vez que intentes con otra cosa. Poco a poco llegarás a saber cómo superar todas las trampas y llegar al final. Tus acciones en el juego no están muy lejos de la forma en que los científicos abordan el estudio del mundo que nos rodea. Los científicos son criaturas curiosas que quieren saber qué hace que el mundo "funcione". El enfoque que adoptan para su trabajo se conoce generalmente como el Método Científico. Básicamente se reduce a reunir información y formular explicaciones naturales, es decir sin recurrir a eventos que estén más allá del control tecnológico, por lo que es trampa recurrir a explicaciones que impliquen espíritus, fantasmas, dioses, ángeles o demonios.
En las ciencias, por lo general, recopilamos información realizando experimentos en laboratorios bajo condiciones controladas para que las observaciones que hacemos sean reproducibles. Una observación es una declaración que describe con precisión algo que vemos, escuchamos, sentimos, sentimos u olemos. Las observaciones que hacemos durante la realización de experimentos se conocen como datos. Los datos recopilados durante un experimento a menudo nos llevan a sacar conclusiones. Una conclusión es una declaración que se basa en lo que pensamos acerca de una serie de observaciones (Timberlake, 2015). Por ejemplo, considere las siguientes declaraciones sobre la fermentación del jugo de uva para hacer vino:
1. Antes de la fermentación, el jugo de uva es muy dulce y no contiene alcohol.
2. Después de la fermentación, el jugo de uva ya no es tan dulce y contiene una gran cantidad de alcohol.
3. En la fermentación, el azúcar se convierte en alcohol.
Las declaraciones 1 y 2 son observaciones o fenómenos porque describen las propiedades del zumo de uva que se puede saborear y oler. El enunciado 3 es una conclusión porque interpreta las observaciones disponibles, y dado que no es posible ver como las bacterias modifican las moléculas de azúcar en alcohol se requiere de generar modelos, idealizaciones para poder representar mentalmente, en papel o en un programa computarizado, para “visualizar” la explicación del fenómeno (Timberlake, 2015).
10.1 Fenómenos y leyes
Uno de los objetivos de la ciencia es organizar los hechos para establecer relaciones o generalizaciones entre los datos. Por ejemplo, si estudiamos el comportamiento de los gases, como el aire que respiramos, pronto descubrimos que el volumen de un gas \(V\) depende de varios factores, incluida la cantidad de gas n, su temperatura \(T\) y su presión \(P\). Las observaciones que registramos relacionando estos factores son nuestros datos.
Una generalización que podríamos hacer al estudiar los datos obtenidos de muchos experimentos realizados con diferentes temperaturas y presiones es que cuando la temperatura del gas se mantiene constante, exprimir el gas en la mitad de su volumen original hace que la presión del gas se duplique. Si tuviéramos que repetir nuestros experimentos muchas veces con numerosos gases diferentes, entenderíamos que esta generalización es uniformemente aplicable a todos ellos.
Una generalización tan amplia, basada en los resultados de muchos experimentos, se llama ley o ley científica, en este caso obtenida inductivamente. A menudo expresamos leyes en forma de ecuaciones matemáticas (McComas, 1998). Por ejemplo, si representamos la presión de un gas por el símbolo \(P\) y su volumen por \(V\), la relación inversa entre presión y volumen puede escribirse como \(P_i \cdot V_i = k\), donde \(k\) es una constante de proporcionalidad.
10.2 Modelos como hipótesis y teorías
Por muy útiles que sean, las leyes obtenidas inductivamente solo establecen lo que sucede; ellos no proporcionan explicaciones. ¿Por qué, por ejemplo, los gases se comprimen tan fácilmente a un volumen más pequeño? Más específicamente, ¿cómo deben ser los gases al nivel elemental más elemental para que se comporten como lo hacen? Responder tales preguntas cuando surgen no es tarea fácil y requiere mucha especulación, imaginación y matemáticas. Pero con el tiempo los científicos construyen imágenes mentales, llamadas modelos teóricos, que les permiten explicar las leyes observadas.
Una vez que se tiene la idea general de lo que pasa, es decir el fundamento o núcleo fuerte de la teoría, los científicos deben corporizar estas ideas en forma de ecuaciones matemáticas simples, esto se conoce como modelado axiomático. Un aspecto extraño del modelado axiomático es que, permite a los científicos toparse con muchas ecuaciones matemáticas simples de fenómenos estudiables, en otras palabras, es una segunda forma de obtener leyes científicas, pero en este caso son leyes deductivas. El modelo axiomático es el cuerpo matemático de la teoría, y para muchos podría definirse como la teoría en su forma verdadera, una forma matemática. Con las ecuaciones los científicos pueden realizar simulaciones reemplazando valores ideales en las variables y obteniendo resultados tentativos o hipótesis (McComas, 1998).
Luego realizan experimentos que prueban las predicciones derivadas del modelo, para ver si las fórmulas matemáticas generadas desde la teoría sirven o no. Algunas veces los resultados muestran que el modelo es incorrecto. Cuando esto sucede, el modelo debe abandonarse o modificarse para tener en cuenta los nuevos datos, en ocasiones solo basta con alterar alguna ecuación, en otras el presupuesto teórico fundamental debe abandonarse del todo. Eventualmente, si la teoría y su modelo sobreviven a las pruebas repetidas, logra el estado de una teoría. Una teoría es una explicación muy contrastada del comportamiento de la naturaleza y que bajo todas las condiciones posibles “técnicamente en un momento determinado en la realidad” parece funcionar para explicar, predecir y controlar. Tenga en cuenta, sin embargo, que es imposible realizar cada prueba “idealmente concebible” que pueda mostrar que una teoría está equivocada, por lo que nunca podemos demostrar absolutamente que una teoría es correcta. En ocasiones las teorías y modelos no son perfectos y se producen muchos contraejemplos, pero no por eso se abandona un modelo, una ciencia sin modelo no puede avanzar. En química sucede mucho, los modelos que empleamos explican la mayoría de los fenómenos, pero casi siempre nos encontramos un fenómeno que no cuadra o contraejemplo (Kuhn, 2010; Lakatos, 1978).
La ciencia no siempre procede de la manera ordenada paso a paso descrita anteriormente. La suerte a veces juega un papel importante. Por ejemplo, en 1828 Frederick Wöhler, un químico alemán, estaba probando una de sus teorías y obtuvo un material inesperado cuando calentaba una sustancia llamada cianato de amonio. Por curiosidad, lo analizó y descubrió que era urea (un componente de la orina). Esto fue emocionante porque era la primera vez que alguien fabricaba a sabiendas una sustancia producida solo por criaturas vivientes a partir de un químico que no tiene un origen de vivo. El hecho de que esto podría hacerse llevó a una nueva rama de la química llamada química orgánica. Sin embargo, de no haber sido por la curiosidad de Wöhler y su aplicación del método científico a sus inesperados resultados, la importancia de su experimento podría haber pasado desapercibida. Recuerde siempre, los procedimientos experimentales no producen errores, todo resultado es un dato que debe analizarse y explicarse, y mucho más importante, a veces los resultados inesperados son los más valiosos (McKie, 1944; Ramberg, 2000).
Como nota final, es significativo que los cambios más espectaculares y dramáticos en la ciencia ocurran cuando las principales teorías se prueban erróneas. Aunque esto ocurre solo en raras ocasiones, cuando ocurre, los científicos son enviados a luchar para desarrollar nuevas teorías o modelos de dichas teorías, y se abren nuevas y emocionantes fronteras.
10.3 Inductivo o deductivo
Por tradición el método científico se ejemplifica en su ruta inductiva:
Experimento → dato → hipótesis → ley → teoría.
Sin embargo, muchas teorías famosas no obedecen esta ruta, por ejemplo, en la física y la químico-física lo que se tiene son:
Fenómeno →teoría →modelo matemático → leyes → hipótesis → experimento → análisis estadístico.
Por un lado, la ruta inductiva parte de los datos hasta llegar a la teoría, pero esta ruta es tan rara que virtualmente no conozco ciencia que la siga, especialmente si hablamos de una ciencia que posea un núcleo matemático fuerte, es más común encontrarnos con una ruta deductiva en la que las leyes son consecuencias de una teoría que se traduce en un núcleo matemático fuerte, y son las leyes que emergen de dicho núcleo matemático las que pueden ponerse a prueba.
Hay que destacar que la parte experimental puede dilatarse por años o décadas completas, por lo que hablamos de programas investigativos a largo plazo, por lo que es bien común que científicos prestigiosos dediquen su carrera a un modelo que resulte resulta en definitiva… erróneo, pero eso no los hace estúpidos, en ciencia los errores no son el acabose, son una parte más del trabajo científico y como tal son apreciados, lo que si se desprecia es tratar de ocultarlos o disfrazarlos.
Referencias
Inicio: 〈Química〉: {La materia y el átomo}: [Introducción a la química]:(Introducción)(Para los novatos)(Que es la química)(Generalidades de la materia)(Generalidades del lenguaje)(Generalidades de los cálculos químicos)(La química antigua y arcaica)(La química medieval y moderna)(Modelos)(Los métodos científicos)(Referencias)[Cursos]
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