Química Física

Los fundamentos de la química física

Antes hemos mencionado los átomos, pero ¿qué son en realidad?

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:

• Un elemento es una sustancia pura que sólo contiene átomos que tienen todos el mismo número de protones ensu núcleo. Es un trabalenguas, pero sólo significa, por ejemplo, que todos los átomos del carbono tienen exactamente seis protones, ni más ni menos. También hemos hablado antes de los protones. El número de protones de un átomo determina exactamente de qué elemento forma parte.
• Si juntas dos átomos, obtienes una molécula. Una molécula son dos o más átomos unidos químicamente.
• Las moléculas formadas por elementos diferentes se llaman compuestos. Un compuesto es simplemente dos o más átomos de elementos diferentes unidos químicamente.
• En química, a menudo nos referimos a una especie. Una especie es un grupo de entidades idénticas, ya sean átomos, iones, moléculas o partículas.
• La tabla periódica es una tabla que muestra todos los elementos diferentes, ordenados por su número de protones y por sus propiedades. Llamamos grupos a las columnas y periodos a las filas.

Temas de química física

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.

Estructura atómica

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.

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

Cantidad de sustancia

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.

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.

Enlace

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.

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

Energética y termodinámica

¿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.

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

Cinética y ecuaciones de velocidad

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.

Equilibrio

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.

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.

Redox

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

Ácidos y bases

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