La química como parte de nuestra vida La química es parte de nuestra vida y está presente en todos los aspectos fundamentales de nuestra cotidianidad. La calidad de vida que podemos disfrutar se lo debemos a los alcances y descubrimientos que el estudio de la química aplicada nos ha dado. 1. La Materia y los sistemas Materiales La química actúa sobre la materia, que es todo aquello que nos rodea, ocupa un lugar y un espacio en el universo, y que somos capaces de identificar y conocer. La materia presenta dos tipos de propiedades: propiedades extensivas y propiedades intensivas. Las propiedades extensivas se relacionan con la estructura química externa; es decir, aquellas que podemos medir con mayor facilidad y que dependen de la cantidad y forma de la materia. Por ejemplo: peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etcétera. Las propiedades intensivas, en cambio, tienen que ver más con la estructura química interna de la materia, como la temperatura, punto de fusión, punto de ebullición, calor específico o concentración (ver glosario para estos tres últimos términos), índice de refracción, entre otros aspectos. Las propiedades intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura, es decir, aquella que está compuesta por un solo tipo de molécula (ver glosario), como, por ejemplo, el agua, que está formada solo por moléculas de agua (H2O), o el azúcar, que solo la conforman moléculas de sacarosa (C12H22O11). Glosario Punto de ebullición: temperatura a la cual una sustancia pasa del estado líquido al gaseoso. Calor específico: cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado centígrado (1ºC). Punto de fusión: temperatura a la cual una sustancia pasa del estado sólido al líquido. Molécula: es una agrupación estable de átomos, unidos por un tipo de enlace químico llamado enlace covalente. La clasificación de los sistemas materiales en abiertos, cerrados y aislados, obedece a hechos observables en la superficie de contacto entre el sistema y el medio. Si se atiende a las propiedades en el interior de cada sistema, se adopta otro criterio clasificador, según el cual hay dos posibilidades: sistemas homogéneos y sistemas heterogéneos. Sistemas Homogéneos: si observamos las propiedades intensivas de una muestra de agua pura contenida en un recipiente (Punto de fusión, punto de ebullición, densidad, etc.), veremos que ellas permanecen constantes para cualquier porción de agua que se considere. El agua es el único componente del sistema. Si ahora consideramos un sistema formado por el agua a la que le hemos agregado una pequeña cantidad de azúcar -sistema formado por dos componentes: agua y azúcar-, podemos observar y comprobar que las propiedades intensivas en este caso son iguales en todos los puntos de su masa. Decimos entonces que, el sistema de un componente: agua pura, y el sistema de dos componentes, agua y azúcar, constituyen sistemas homogéneos. Definimos sistema homogéneo: a aquel que presenta las mismas propiedades intensivas en todos sus puntos. Todo sistema homogéneo se caracteriza por presentar continuidad cuando se lo observa a simple vista, al microscopio y aún al ultramicroscopio. No es posible, en el ejemplo anterior, observar y distinguir el agua del azúcar. Hay infinidad de sistemas homogéneos, entre otros: agua potable, aire (varios componentes); alcohol, agua (un componente), etc. Sistema homogéneo: agua pura Sistemas Heterogéneos: si analizamos un sistema formado por agua y aceite (dos componentes), comprobamos que no posee homogeneidad, ya que a simple vista se distinguen la zona ocupada por el aceite y la zona ocupada por el agua. También podemos comprobar que ciertas propiedades intensivas (densidad por ejemplo) no se mantienen constantes cuando pasamos de un punto ocupado por el aceite a otro punto ocupado por el agua. Lo mismo sucede en el sistema formado por agua líquida, hielo y vapor de agua -un componente-. Los sistemas anteriores son heterogéneos y los podemos definir como: aquellos sistemas que presentan distintas propiedades intensivas en por lo menos dos de sus puntos. Otros ejemplos de sistemas heterogéneos son: agua y arena, agua y limaduras de hierro, pólvora (clorato de potasio, carbono y azufre), etc. Sistemas heterogéneos 2.- Estados de la Materia: Sólido, líquido y gaseoso La materia normalmente presenta tres estados o formas: sólida, líquida o gaseosa. Sin embargo, existe un cuarto estado, denominado estado plasma, el cual corresponde a un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas (iones), con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, es decir, globalmente neutro. El estado sólido se caracteriza por su resistencia a cualquier cambio de forma, lo que se debe a la fuerte atracción que hay entre las moléculas que lo constituyen; es decir, las moléculas están muy cerca unas de otras. En el estado líquido, las moléculas pueden moverse libremente unas respecto de otras, ya que están un poco alejadas entre ellas. Los líquidos, sin embargo, todavía presentan una atracción molecular suficientemente firme como para resistirse a las fuerzas que tienden a cambiar su volumen. En cambio, en el estado gaseoso, las moléculas están muy dispersas y se mueven libremente, sin ofrecer ninguna oposición a las modificaciones en su forma y muy poca a los cambios de volumen. Como resultado, un gas que no está encerrado tiende a difundirse indefinidamente, aumentando su volumen y disminuyendo su densidad. La mayoría de las sustancias son sólidas a temperaturas bajas, líquidas a temperaturas medias y gaseosas a temperaturas altas; pero los estados no siempre están claramente diferenciados. Puede ocurrir que se produzca una coexistencia de fases cuando una materia está cambiando de estado; es decir, en un momento determinado se pueden apreciar dos estados al mismo tiempo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua llega a los 100ºC (en estado líquido) se evapora, es decir, alcanza el estado gaseoso; pero aquellas moléculas que todavía están bajo los 100,1 °C, se mantienen en estado líquido. 3.- Cambios físicos y químicos de la Materia Aunque al mirar a nuestro alrededor podemos apreciar distintos estados de la materia (por ejemplo, una silla es materia en estado sólido, la leche un líquido y el humo de las fábricas es gaseoso), en la naturaleza ocurren infinitos cambios a cada instante. Si tomamos, por ejemplo, un vaso con agua (estado líquido), observaremos que el agua ocupa el espacio interno del vaso. Luego, si colocamos en un recipiente el agua contenida en el vaso y la calentamos, veremos que en cierto momento comienzan a observarse burbujas en la superficie, y el agua en estado líquido pasa a ser vapor de agua (estado gaseoso). Este evento, que es común observar en nuestra vida diaria, corresponde a un cambio de estado de la materia. El agua, tanto en estado líquido como en estado gaseoso, presenta la misma composición química (H2O). Los cambios de estado de cualquier material en los que su composición química permanece invariable se denominan cambios físicos. Ahora, si tenemos agua mezclada con azúcar (agua azucarada) y la calentamos hasta evaporar toda el agua posible, en el recipiente queda el azúcar; es decir, se obtienen los materiales iniciales: agua (ahora en forma de vapor) y azúcar. Así, cuando mezclamos dos materiales y podemos separarlos por procedimientos físicos, entonces el cambio ocurrido también es un cambio físico. Otros tipos de cambios físicos pueden ser: patear una pelota o romper una hoja de papel. En todos los casos podría cambiar la forma, (como cuando cortas el papel ), pero la sustancia se mantiene, es decir, el papel sigue estando ahí. Pero existe otro tipo de cambio que sí modifica la estructura química de uno o más materiales. Es el que se conoce como cambio químico. Este sucede cuando el material experimenta una transformación en su estructura química, como consecuencia de su interacción o relación con la estructura química de otro material, transformándose ambas estructuras. Esto da como resultado la formación de un nuevo material con características diferentes a las iniciales; es decir, ocurrió una reacción química. Cuando se deja un determinado tiempo una manzana se puede apreciar un cambio químico, ya que sus constituyentes externos reaccionaron con el oxígeno del aire y se produjo un oscurecimiento por la reacción de oxidación o envejecimiento. Su estructura interna cambió y ya no es posible recuperarla por medios físicos. Las frutas, como pueden conservarse por refrigeración, que hace más lento el proceso de oxidación, o cubriéndolas, para que el oxígeno no actúe sobre la fruta. Si impregnamos la manzana con jugo de limón, seguirá en buen estado, ya que el jugo de limón contiene vitamina C (ácido ascórbico), la cual actúa como antioxidante; es decir, evita que el oxígeno reaccione con la manzana y retarda el envejecimiento. En la naturaleza, la mayoría de las alteraciones que se producen son cambios químicos, como la combustión, la pudrición, la fermentación, la digestión de los alimentos, etcétera. Sin embargo, también existen otros tipos de transformaciones químicas, como cuando se quema basura, o uno fundamental, que es la respiración, donde hay una reacción química. 4.- Reacciones Químicas de la Vida Cotidiana Cambio de color Liberación de energía en forma de luz o calor Absorción de energía (disminución de temperatura) Cambio de olor Aparición de burbujas o sólido Evidencia de las reacciones químicas Algunos tipos de reacciones: Combustión: Es una reacción química que se produce cuando un combustible se combina con un comburente el oxígeno, produciéndose dióxido de carbono, vapor de agua y energía en forma de luz y calor. Los combustibles son sustancias que contienen energía química almacenada, la que proviene de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos que componen el combustible. Respiración y fotosíntesis. Para realizar las funciones vitales todos los seres vivos necesitan energía, energía que obtienen de la oxidación de azúcares, sobre todo glucosa, y grasas. Puesto que esta combustión libera mucha energía, debe hacerse poco a poco, en procesos controlados por enzimas. Este proceso controlado de combustión se llama respiración y tiene lugar en el interior de las células, adonde llega el oxígeno procedente de los pulmones. C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Respiración Las plantas, además de la respiración, que emplean para obtener energía, obtienen recursos esenciales a través de otro proceso, la fotosíntesis. La fotosíntesis es un proceso opuesto a la respiración. Mientras que en ésta la glucosa se combina con el oxígeno para producir agua y dióxido de carbono, en la fotosíntesis, gracias a la luz del Sol, el agua y el dióxido de carbono se combinan para dar glucosa. 6 CO2 + 6 H2O Fotosíntesis C6H12O6 + 6 O2 Corrosión de metales: La corrosión es la oxidación de los metales en presencia de aire y humedad. Es muy probable que en más de una ocasión hayas visto los efectos de esta reacción química, en el deterioro que sufren los metales cuando quedan a la intemperie, como maquinarias herramientas, automóviles, entre muchos otros. El hierro es un metal que se oxida fácilmente por acción combinada del aire y de la humedad, formando un óxido de color rojizo llamado herrumbre. Putrefacción de la materia orgánica: Seguramente has observado un trozo de carne, pan o fruta en esta de descomposición y comprobado que su aspecto y olor son muy desagradables. La putrefacción es una reacción química de degradación de materia orgánica producida por microorganismos, como bacterias y hongos, denominados descomponedores. El crecimiento de determinados organismos durante la preparación o la conservación de alimentos pueden provocar intoxicación alimentaria. Estos microorganismos producen unas toxinas que son realmente las responsables de la intoxicación. El botulismo, por ejemplo, está provocado por las toxinas liberadas por la bacteria Clostridium botulinum. La descomposición microbiana de los alimentos se frena mediante técnicas como la conservación en medios muy ricos en sal o en azúcar o en ácidos débiles (encurtido), la desecación, la refrigeración o la destrucción de los microorganismos por calor (enlatado y pasteurización) o por radiaciones. Cuando los productos congelados se descongelan, los desecados se rehidratan o los enlatados se abren, quedan de nuevo expuestos a la descomposición, pues los saprofitos de la atmósfera empiezan a contaminarlos. La velocidad de la actividad microbiana depende de la temperatura del medio. Cuanto más baja es ésta, tanto más lenta es la actividad; no obstante, incluso los alimentos congelados terminan por deteriorarse, aunque el proceso es muy lento. Sólo la inhibición química de la actividad microbiana puede proteger los alimentos una vez expuestos a la atmósfera. Sin embargo, algunos microorganismos, en particular los hongos, proliferan en presencia de concentraciones elevadas de sal o azúcar. Por otro lado, ciertos productos alimenticios, como el queso y el yogur, se forman gracias a la actividad de microorganismos específicos, pero el resultado se degrada rápidamente cuando el proceso se ve contaminado por otros microbios. Asimismo, la colonización microbiana de los alimentos altera la consistencia, el olor y el sabor y los hace menos apetitosos.