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Coge un átomo. Ábrelo y mira en su interior. Por supuesto, en realidad no puedes abrir un átomo de esa manera, son demasiado pequeños para poder verlos, salvo con los microscopios electrónicos más potentes. Pero si pudieras, ¿qué verías?
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Regístrate gratisCon un pH bajo, el agua actúa como _____.
¿Cuáles de los siguientes son temas de química física?
La ruptura de enlaces es una reacción ---------.
¿Cuál es el ángulo de enlace que se encuentra en una molécula de agua?
¿Verdadero o falso? El agua tiene una tensión superficial elevada.
¿Mar o falso? El agua tiene una capacidad calorífica específica baja.
¿Verdadero o falso? El hielo sólido es más denso que el agua líquida.
El agua disuelve las sustancias ____.
¿Cuál es el principio de la espectrometría de masas?
¿Cuáles son los componentes clave de un espectrómetro de masas?
¿Cuáles son los pasos del proceso de espectrometría de masas?
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Equipo de profesores de Química Física
En el centro del átomo hay una masa densa llamada núcleo. Imagina 6 millones de coches aplastados en un bulto de sólo 30 cm de ancho, 30 cm de profundidad y 30 cm de alto. Así de denso es el núcleo. Contiene protones, que tienen carga positiva, y neutrones, que tienen carga neutra.
Rodeando al núcleo, se encuentran unas diminutas partículas cargadas negativamente llamadas electrones. A los científicos les gusta imaginarlos como partículas, pero en realidad a veces se comportan como ondas , casi como una onda de luz. Los imaginamos zumbando alrededor del núcleo en trayectorias circulares llamadas orbitales. Pero aunque esto suene ajetreado, el átomo es en su mayor parte espacio vacío. Si un átomo tuviera el tamaño de una catedral, ¿qué tamaño crees que tendría su núcleo? La respuesta: del tamaño de una mosca.
La estructura de un átomo[1] con los electrones marcados en rojo, los protones en azul y los neutrones en verde.Plazmi, CC BY-SA 4.0, vía Wikimedia Commons
El comportamiento de los átomos depende de los electrones. Todas las reacciones implican el desplazamiento de electrones. A veces es de un átomo a otro. En otros casos, es de un átomo a un sistema deslocalizado, en el que los electrones no pertenecen a ningún átomo concreto. Cuanto más fácilmente gane o pierda electrones un átomo, más probabilidades tendrá de reaccionar con otra sustancia. Los átomos pueden reaccionar entre sí para formar una gran variedad de moléculas y estructuras diferentes, desde simples moléculas di atómicas hasta vastos entramados.
Derecha: una molécula diatómica, Izquierda: un entramado gigante, Christinelmiller, CC-BY-SA 4.0, Wikimedia Commons
Esto plantea preguntas: ¿por qué los átomos pierden o ganan electrones? ¿Por qué no mueven sus protones? ¿Qué forman las celosías y qué fuerzas las mantienen unidas? ¿Por qué algunas sustancias reaccionan tan rápidamente y otras son prácticamente inertes, es decir, no reaccionan en absoluto?
Para responder a estas preguntas, tenemos que echar un vistazo a lo que se conoce como química física.
La química física es una rama de la química que investiga cómo se comportan las sustancias a nivel atómico o molecular.
En asignaturas como la biología, estudias cómo funcionan los organismos completos, desde sus tejidos y órganos hasta cómo interactúan con su entorno. En física, estudias temas como la materia, las fuerzas y la energía. La Química Física combina ambas. Proporciona explicaciones claras sobre cómo las leyes físicas fundamentales que rigen nuestro mundo hacen que los átomos y las moléculas se comporten y, a su vez, reaccionen para construir esas estructuras orgánicas como el corazón o el cerebro. Es el peldaño entre las fuerzas simples y la vida compleja.
Antes hemos mencionado los átomos, pero ¿qué son en realidad?
Los átomos son la unidad más pequeña de materia ordinaria que forma un elemento químico.
De hecho, los átomos son los bloques de construcción fundamentales de todas las partes de la química, pero hay otros términos bastante importantes que debes conocer:
En Química Física estudiarás diversos temas. Desde la estructura atómica, donde conocerás mejor las partículas del átomo, hasta la cinética, donde descubrirás cómo se producen las reacciones y cómo podemos manipularlas. Otros temas son los ácidos y las bases, la cantidad de sustancia y los equilibrios.
Ya deberías saber lo que es un átomo. Es la unidad más pequeña de un elemento que no puede descomponerse más por ningún tipo de reacción química. Pero eso no significa que los átomos no contengan sus propias partes constituyentes. Ya hemos explicado cómo los átomos están formados por partículas subatómicas llamadas protones, neutrones y electrones. En "Estructura atómica" aprenderás cómo se disponen estas partículas en el interior de los átomos. Explorarás cómo al cambiar su número cambia el átomo, y aprenderás a definir palabras como ion, isótopo y energía de ionización.
Un ion es un átomo que ha perdido o ganado un electrón para formar una partícula cargada.
Los isótopos son átomos de un mismo elemento con distinto número de neutrones.
Por ejemplo, ¿cuál es la diferencia entre un átomo de hidrógeno y un átomo de helio? ¿Cómo podemos diferenciarlos? ¿Podemos pasar de uno a otro y, si no, por qué?
Izquierda: un átomo de hidrógeno. Derecha: un átomo de helio. ¿Puedes distinguir las diferencias?commons.wikimedia.org
Una vez que hayas aprendido sobre los átomos y los elementos, puedes empezar a ver cómo reaccionan entre sí. Pero antes tienes que comprender los fundamentos de las reacciones y cómo trabajan con ellas los químicos. En "Cantidad de sustancia" tratarás temas como la masa molecular, las fórmulas empíricas y el mol.
La masa molecular es la suma de las masas atómicas de todos los átomos de una molécula.
Losmoles no tienen nada que ver con el animal, sino que un mol es una cantidad específica de átomos o moléculas. Facilitan mucho el trabajo con las ecuaciones de reacción.
En un mol de cualquier sustancia hay 602 sextillones de moléculas. Esto se conoce como la constante de Avogadro.StudySmarter Originals
Por ejemplo, si conocemos valores como la masa de una muestra y su fórmula química, podemos calcular no sólo el número de moles que contiene, sino también cuántos moles de un producto esperamos que produzca una reacción.
Quizá no hayas obtenido la cantidad de producto que esperabas. Podrías decir que tu reacción tiene un bajo porcentaje de rendimiento. En "Cantidad de sustancia" también aprenderás a calcular este porcentaje de rendimiento y por qué a veces es tan bajo.
Sabemos que los átomos reaccionan desplazando sus electrones. Los átomos quieren estar en el estado más estable posible, y lo consiguen perdiendo o ganando electrones. ¿Demasiados electrones? Cederán algunos. ¿No son suficientes? Intentarán ganar algunos.
En "Enlace", explorarás algunas de las formas en que los átomos desplazan sus electrones, desde donarlos a otros átomos hasta compartirlos entre ellos. Mover electrones forma enlaces, y aprenderás sobre los distintos tipos de enlaces entre átomos. También definirás algo llamado electronegatividad.
La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer un par de electrones enlazados.
Este tema se basa en tus conocimientos sobre la estructura atómica. También incorpora conocimientos sobre las fuerzas y la atracción. Por ejemplo, ¿qué fuerzas mantienen unido un enlace? ¿Por qué algunos enlaces son mucho más fuertes que otros?
Después de estudiar los enlaces desde un punto de vista subatómico, los considerarás a nivel molecular. Aplicarás de nuevo tus conocimientos sobre las fuerzas para explicar por qué las distintas moléculas tienen formas diferentes, y estudiarás cómo los enlaces entre moléculas confieren a las sustancias propiedades tan distintas.
Algunos ejemplos de formas moleculares, Dominio público
commons.wikimedia.org
¿Qué determina que dos sustancias reaccionen entre sí? Lo llamamos la viabilidad de una reacción, y todo tiene que ver con los cambios de energía. En "Energética" y "Termodinámica", aprenderás sobre dos ideas relacionadas, conocidas como entalpía y entropía.
El cambio de entalpía es el cambio de calor de una reacción química a temperatura y presión constantes. En realidad, la entalpía no es más que una medida de la energía.
Explorarás por qué algunas sustancias desprenden calor cuando reaccionan y cómo medimos este calor en un proceso llamado calorimetría. Después practicarás cómo calcular los cambios de energía de las reacciones dibujando diagramas de entalpía. Y cuando termines este tema, serás capaz de predecir la viabilidad de cualquier reacción con sólo mirar unos sencillos valores de entalpía y entropía.
Diagrama de entalpía de una reacción exotérmica[3], Brazosport College, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons
Ahora que sabemos por qué reaccionan los átomos desde el punto de vista químico, podemos volver a centrar nuestra atención en la física. "La cinética es el estudio del movimiento de las partículas y cómo éste afecta a los sistemas cambiantes. Tomemos como ejemplo el hierro y el agua. Reaccionan para producir óxido de hierro (III). A temperatura ambiente, esta reacción es muy lenta. Pero si en cambio haces reaccionar el hierro con vapor, la reacción se produce mucho más rápidamente. ¿Por qué ocurre esto?
En "Cinética", aprenderás sobre las velocidades de las distintas reacciones y cómo podemos manipularlas. El calor es una forma de aumentar la velocidad de una reacción, pero también explorarás otros factores como la superficie y la concentración. Ampliarás estos conocimientos en "Ecuaciones de velocidad". Al final del tema, sabrás calcular la velocidad de las reacciones tanto experimental como teóricamente.
En "Termodinámica" aprendiste sobre la viabilidad de una reacción. De hecho, algunas reacciones son factibles en ambas direcciones: hay una reacción hacia delante y otra hacia atrás.
Veamos el cloruro amónico sólido blanco, \( NH_4Cl\) . Se descompone en gas amoniaco y ácido clorhídrico.
$$ NH_4Cl_(s)}\rightleftharpoons NH_{3(g)}+ HCl_(g)} $$
Si dejas la reacción sola en un sistema sellado, siempre quedará algo de sólido blanco, independientemente del tiempo que la dejes. La reacción no llega a completarse. Decimos que este tipo de reacción es reversible: al descomponerse parte del cloruro amónico, otra parte se vuelve a formar a partir del amoníaco y el ácido clorhídrico. Se forma un equilibrio.
Un equilibrio químico es un sistema de reacción con concentraciones constantes de productos y reactivos, en el que la velocidad de la reacción hacia delante es la misma que la velocidad de la reacción hacia atrás.
Pero, ¿y si no queremos cloruro amónico? ¿Cómo podemos influir en la reacción para maximizar nuestro rendimiento de amoníaco y ácido clorhídrico? En "Equilibrio", aprenderás cómo el cambio de las condiciones de reacción desplaza la reacción hacia un lado u otro. Conocerás a Le Châtelier y averiguarás más cosas sobre su principio, para luego aplicarlo a ejemplos industriales, como la producción de etanol. También exploraremos las constantes de equilibrio, Kp y Kc. Podrás utilizarlas para calcular la composición de una mezcla en equilibrio.
Más arriba hemos mencionado cómo se forma el óxido de hierro (III) a partir del hierro y el agua. Pero, ¿qué significan los números romanos que aparecen después del hierro?
Bueno, describen algo llamado estados de oxidación. Los conocerás en "Redox". Los estados de oxidación indican cuántos electrones ha perdido o ganado un átomo en una reacción. En las reacciones de oxidación, los átomos pierden electrones, mientras que en las reacciones de reducción, los átomos ganan electrones. Volveremos al movimiento de los electrones y practicaremos la escritura de medias ecuaciones para representarlo.
A continuación explorarás las células electroquímicas. Imagina que conectas dos metales diferentes a un alambre y los sumerges en una solución salina. ¿Qué esperas que ocurra? ¿Por qué se produce una corriente y cómo podemos predecir en qué dirección fluirá? Podemos utilizar nuestros conocimientos sobre la estructura atómica y la electronegatividad para responder a estas preguntas.
Una célula electroquímica.StudySmarter Originals
Para el tema final "Ácidos y bases", en lugar de centrarnos en el movimiento de los electrones, nos fijaremos en el movimiento de los protones. Habrás aprendido en "Estructura atómica" que el ion hidrógeno, \(H^+\), contiene un solo protón y ningún electrón o neutrón, por lo que lo llamamos protón. Cuando las sustancias llamadas ácidos y bases reaccionan en reacciones conocidas como reacciones de neutralización, desplazan protones. Las reacciones de neutralización son muy frecuentes en la vida cotidiana: por ejemplo, los dentífricos neutralizan los compuestos ácidos producidos por las bacterias de los dientes, y la levadura en polvo contiene una mezcla de ácidos y bases que, al disolverse en una solución, producen gases que hacen subir los pasteles.
Conocerás la escala de pH, inventada por un bioquímico danés que trabajaba para una empresa cervecera. También descubrirás cómo calcular el pH de las sustancias antes y después de la neutralización. Por último, explorarás cómo cambia el pH en las valoraciones.
La escala de pH. Las sustancias ácidas tienen un pH bajo y las alcalinas un pH alto.StudySmarter Originals
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
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Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.
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