1 TEMA 1 INTRODUCCIÓN: CONCEPTO Y RELACIONES CON OTRAS ÁREAS DE LA CIENCIA

1. ¿Qué es la química? La química es el estudio de la naturaleza, propiedades y composición de la materia y de cómo se producen sus cambios. Química es lo que hacen los químicos 2. Desarrollo histórico 2.1. Primeras actividades químicas Los origenes comunes de la química son tan antiguos como la humanidad misma. Las primeras actividades prequímicas consistieron indudablemente en observaciones no causales. El metal cobre se conoció en la edad de piedra. El hombre primitivo aprendió accidentalmente que al calentar unas piedras azules al fuego, éstas pasaban a cobre metálico. El bronce, una aleación de cobre y estaño, fue probablemente preparado de forma accidental, cuando los minerales se calentaban de forma accidental en el fuego. La edad del bronce comenzó 3000 años AC. El cobre y el bronce abrieron el camino al hierro y al acero. El acero es una aleación de carbono y hierro. Según los expertos la palabra química se derivó de la palabra antigua khemeia. Sin embargo, se considera que la palabra deriva del término griego chyma, cuyo significado es fundir o vaciar un metal. En el año 6000 AC surgieron los comienzos de la teoria química. Empédocles consideró la existencia de cuatro elementos: tierra, aire, fuego y agua. Aristóteles consideró que cada elemento resultaba de la combinación de dos de las cuatro cualidades fundamentales: cálido, frío, húmedo y seco. Los filósofos griegos plantearon la pregunta de si la materia era de naturaleza continua o discontinua. Demócrito denominó átomos a los gránulos pequeños e indivisibles. Por la tanto, el concepto de que la materia no es indefinidamente subdivisible se conoce como atomismo. 2.2. Los alquimistas. El período de la alquimia cubre los años 300 AC a 1500 DC. Uno de los mas grandes desafíaos al que se enfrentaba la química fue el de la transmutación, una palabra que se aplicaba a la búsqueda de procesos que cambiasen un elemento por otro, por ejemplo, el plomo abundante y barato en el escaso y costoso oro. La palabra khemeia se transformó en alkimiya en árabe, y a partir de esta palabra se formó mas tarde la palabra alquimia en español. El más famoso de los alquimistas árabes fue un hombre conocido hoy en día como Geber, quien hizo muchos esfuerzos para producir oro.

2 2.3. Paracelso y la Iatroquímica. El perído comprendido entre 1500 y 1650 se conoce a veces como la era de la iatroquímica o química médica. Paracelso investigó sobre la piedra filosofal pero fundamentalmente pensaba que podía funcionar como el “elixir de la eterna juventud” una sutancia que prolongara la vida y la buena salud indefinidamente.

2.4. Boyle y el perído del flogisto Durante el siglo XVII las preocupaciones se dirigieron hacia el comportamiento y las propieades de los gases. Un químico irlandés Robert Boyle, descubrió la relación existente entre el volumen de un gas y su presión. Esta relación se conoce como la ley de Boyle. El interés por los gases en el siglo XVII y comienzos del XVIII condujo a una teoría importante, aunque errónea, respecto a la naturaleza de la combustión y de la corrosión. Esta fue la teoría del flogisto. Sthall consideraba que las sustancias combustibles eran ricas en flogisto, y que la combustión consistía simplemente en la pérdida de esa misteriosa sustancia. Además se creyó que la corrosión o enmohecimiento de los metales era una pérdida lenta del flogisto por parte del metal. Stall nunca resolvió el problema de la ganancia de peso que muestran los metales cuando se corroen. Algunos químicos sugirieron que el flogisto tenía un peso negativo, pero este criterio sólo trajo dificultades cuando se trataba de explicar, por ejemplo, por qué una pieza de madera perdía peso cuando se quemaba. 2.5 Lavoisier y la era moderna En 1743 nació el químico francés A.L. Lavoisier, quien también se interesó en el proceso de la combustión, pero a diferencia de muchos de sus predecesores, diseñó cuidadosamente sus experimentos de modo que podía pesar exactamente tanto los combustibles como los productos. Lavoisier sostenía que si se consideraban los pesos de todas las sustancias incluídas en una reacción química, no hay pérdida ni ganancia total en el peso. Esta generalización es realmente una versión primaria de uno de los fundamentos de la química, la ley de la conservación de la masa. Generalmente se afirma que Lavoisier es el instructor de la era moderna de la química. Publicó en 1879 un importante libro de texto titulado, “Tratado elemental de Química”.

3. El método científico en la Química 3.1. Observaciones y leyes Se puede considerar que la ciencia comienza con la observación, que puede ocurrir por azar, o pueden ser observaciones hechas en condiciones experimentales bajo estricto control. Los registros obtenidos en estas observaciones se conocen con el nombre de datos científicos y el examen de una serie de datos frecuentemente revela regularidades, similitudes, o aspectos consecuentes. Algunas veces estas regularidades pueden establecerse en forma concisa en una afirmación o generalización conocida como una ley. El proceso para llegar a una ley a partir de la observación y de los datos es un ejemplo de razonamiento inductivo.

3 3.2 Teorías Las teoria son la clave del progreso científico. Una teoría explica comportamientos observados mediante el empleo de un modelo que se entiende más fácilmente. Algunas veces el modelo sobre el cual se basa una teoría es de orden físico; es decir, se relaciona con objetos físicos conocidos. Sin embargo, algunas teorias usan modelos matemáticos. Debe observarse que ni el modelo físico ni el matemático pueden explicar algo a quien no está familiarizado con los objetos físicos o las relaciones matemáticas utilizadas en el modelo. La fuerza de una teoría existosa no sólo radica en su capacidad de explicar los fenómenos observados, sino en su posibilidad de hacer predicciones, que pueden comprobarse mediante el diseño y realización de nuevos experimentos. Si las nuevas observaciones y datos obtenidos de estos experimentos concuerdan con la predicción, entonces la teoría está mas que fundamentada. Si no, es necesario modificarla o abandonarla totalmente y buscar una nueva.

OBSERVACIONES DATOS

EXPERIMENTO (comprobación de predicciones)

LEY (generalización)

TEORIA 1. Modelo 2. Explicación 3. Predicción

LA QUÍMICA INORGÁNICA MODERNA La química inorgánica es la investigación experimental y la interpretación teórica de las propiedades y reacciones de todos los elementos y todos sus compuestos, con excepción de los hidrocarburos y la mayoría de sus derivados. Las investigaciones realizadas a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX dieron como fruto el descubrimiento y caracterización de bastantes elementos, los análisis de muchos minerales, la síntesis de muchos compuestos inorgánicos y los primeros intentos serios de describir la materia mediante fundamentos atómicos. Los investigadores dedicados a este objeto eran esencialmente generalistas interesados por todos los aspectos de la química, pero sus progresos fueron indicando distintas diferencias entre la química de los compuestos formada por el carbono, o química orgánica, y la de los compuestos inorgánicos. Poco después de 1860 las investigaciones fueron definitivamente orientadas hacia las areas orgánica e inorgánica de modo específico. Los proyectos de la energía atómica de la Segunda Guerra Mundial catalizaron el desarrollo de la química inorgánica que se conoce hoy en dia y dio origen a lo que ha dado en llamarse el “Renacimiento de la Química Inorgánica”. La aplicación de las técnicas estructurales y de estudio de mecanismos de reacción ha

4 proporcionado a ésta las dimensiones necesarias de comprensión y predicción que la han convertido rápidamente en una disciplina coherente y que ha dado lugar a un crecimiento exponencial de la investigación, la enseñanza y las publicaciones. Algunas de las contribuciones al desarrollo de la química inorgánica moderna son las siguientes:

1. Naturaleza atómica de la materia El descubrimiento de las partículas mas fundamentales (electrón, protón, neutrón) y la evaluación de sus propiedades culminaron en la explicación mecanocuantica fundamental de las configuraciones electrónicas de los átomos e iones que determinan las características químicas de las especies inorgánicas y la elucidación de los orígenes cósmicos de los elementos y la síntesis de nuevos elementos a través de las transformaciones nucleares (naturales y artificiales). 2. La clasificación sistemática de los elementos Mediante la reunión de los elementos de propiedade semejantes en una ordenación geométrica adecuada, la tabla periódica contribuyó y todavía contribuye mas que cualquier otra generalización sencilla a la sistematización de la química, la consecución de predicciones razonables y a la estimulación de la investigación. 3. Los gases nobles A partir de 1894-1895 Ramsay y otros identificaron el neon, argon, kripton y el xenon como componentes de la atmósfera, y Ramsay probó que el gas liberado cuando se calienta el mineral uranio llamado claveita es idéntico al helio identificado con anterioridad en el espectro solar. El radón descubierto como producto de desintegración radiactiva de las series del uranio, se añadió a esta familia como elemento más pesado. A partir del momento en que se aceptó la importancia de la configuración electrónica externa de los átomos en la determinación de su comportamiento químico, se consideró que la configuración externa característica de los gases nobles es un criterio de estabilidad química y se uso en el desarrollo de las teoría del enlace químico. 4. Teoría de la coordinación de Werner A lo largo del siglo XIX los investigadores continuaron aislando compuestos. Un caso significativo fue la obtención, a través de diferentes reacciones de disoluciones de sales de cobalto(II) con amoníaco acuoso y agentes oxidantes, de los compuestos CoCl3.6NH3 (luteo) CoCl3.5NH3 (purpureo), CoCl3.5NH3 (roseo), CoCl3.4NH3 (violeo) y CoCl3.4NH3 (praseo o verde). Estos compuestos diferían no sólo en el color, sino también en el comportamiento químico y con frecuencia en el número de iones que formaban en disolución acuosa. La explicación fundamental de la formación y de las propiedades de estas sustancias fue dada por Alferd Werner, con el concepto de valencia primaria y valencia secundaria relacionada ésta con la esfera de coordinación. La aplicación a estas ideas de los conceptos electrónicos fundamentales, el desarrollo posterior de las teorías de orbitales de enlace, la determinación de las estructuras moleculares mediante medidas físicas y las correlaciones entre enlaces y

5 propiedades han producido el progreso mas significativo en la historia de la química inorgánica. 5. Compuestos no existentes Dejando a parte los compuestos de los gases nobles, hay un número de compuestos de elementos mas reactivos que, por comparación con los compuestos conocidos de los elementos de la misma familia, deberían formarse, pero cuya síntesis ha sido un desafío para los investigadores durante mucho tiempo o todavía lo constituyen. Los ejemplos incluyen el cloruro de arsénico(V), el óxido de Se(VI) y los perbromatos. A pesar de toda una variedad de explicaciones teóricas sobre su no existencia, el óxido de selenio(VI) y el ácido perbrómico y sus sales se han obtenido en condiciones de alta pureza y el cloruro de arsénico (V) se ha identificado en varios aductos. El uso de técnicas y reactivos nuevos ha permitido sintetizar muchos otros compuestos inorgánicos que se consideraron imposibles de existir en un principio. 6. Química de los lantánidos La química de los lantánidos data de la separación de dos “tierras” (óxidos) supuestamente puras: la ytria, por J. Gadolin en 1794 y la ceria por M.H. Klaproth, J.J. Bercelius y W. Hisinger en 1803. La aplicación de los tediosos métodos de separación fraccionada a lo largo de 1907 permitió resolver la ytria original en compuestos puros de ytrio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, yterbio y lutecio: la ceria original dio lugar a compuestos de lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio y gadolinio. 7. Expansión de la tabla periódica Con el descubrimiento de elementos químicos artificiales. 8. Reacciones en medios no acuosos El carácter único del agua como medio para las reacciones iónicas de especies inorgánicas en el que se creyó largo tiempo, fue cuestionado en investigaciones en las que se utilizaron el amoniaco líquido como disolvente electrolítico. En años posteriores se investigaron muchas sustancias anhidras como medios en los que pueden tener lugar muchas reacciones de metátesis y/o de oxidación-reducción. En torno a las reacciones de autodisociación se desarrollaron definiciones de ácidos y bases.

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