Capítulo I

INTRODUCCIÓN

~Las ciencias naturales.~ Antes de avanzar mucho en el estudio de la naturaleza, se hace evidente que este gran campo de estudio debe dividirse en varias áreas más limitadas para la comodidad tanto del investigador como del estudiante. Estos estudios más limitados se denominan ciencias naturales.

Dado que el estudio de la naturaleza se divide de esta manera solo por conveniencia, y no porque exista una división en la naturaleza misma, a menudo sucede que las diferentes ciencias están muy íntimamente relacionadas, y un conocimiento profundo de cualquiera de ellas implica un conocimiento considerable de varias otras. Así, el botánico debe saber algo sobre los animales además de las plantas; el estudiante de fisiología humana debe conocer algo de física además de las partes del cuerpo.

~Íntima relación entre la química y la física.~ La física y la química son dos ciencias relacionadas de esta manera tan estrecha, y no es fácil hacer una distinción precisa entre ellas. De manera general, puede decirse que ambas se ocupan de la materia inanimada más que de la viva, y más particularmente de los cambios que dicha materia puede experimentar. Estos cambios deben ser considerados más detenidamente antes de poder dar una definición de ambas ciencias.

~Cambios físicos.~ Una clase de cambios no va acompañada de una alteración en la composición de la materia. Cuando se rompe un trozo de carbón, los pedazos no difieren del trozo original salvo en el tamaño. Una barra de hierro puede romperse en pedazos; puede ser magnetizada; puede calentarse hasta que brille; puede fundirse. En ninguno de estos cambios se ha afectado la composición del hierro. Los pedazos de hierro, el hierro magnetizado, el hierro incandescente, el hierro fundido, son tan verdaderamente hierro como la barra original. El azúcar puede disolverse en agua, pero ni el azúcar ni el agua cambian en composición. El líquido resultante tiene el sabor dulce del azúcar; además, el agua puede evaporarse al calentarla y el azúcar recuperarse sin cambios. Tales cambios se llaman cambios físicos.

DEFINICIÓN: Los cambios físicos son aquellos que no implican un cambio en la composición de la materia.

~Cambios químicos.~ La materia puede experimentar otros cambios en los que su composición se altera. Cuando se quema un trozo de carbón, se forman cenizas y gases invisibles que son completamente diferentes en composición y propiedades del carbón original. Una barra de hierro, cuando se expone al aire húmedo, se transforma gradualmente en óxido, que es totalmente diferente del hierro original. Cuando se calienta azúcar, se forma una sustancia negra que no es dulce ni soluble en agua. Tales cambios son evidentemente muy distintos de los cambios físicos recién descritos, pues en ellos se forman nuevas sustancias en lugar de las que están experimentando el cambio. Cambios de este tipo se denominan cambios químicos.

DEFINICIÓN: Los cambios químicos son aquellos que implican un cambio en la composición de la materia.

~Cómo distinguir entre cambios físicos y químicos.~ No siempre es fácil saber a qué clase pertenece un cambio dado, y muchos casos requerirán un análisis cuidadoso por parte del estudiante. La pregunta clave en todos los casos es: ¿Ha cambiado la composición de la sustancia? Usualmente esto puede responderse estudiando las propiedades de la sustancia antes y después del cambio, ya que un cambio en la composición va acompañado de un cambio en las propiedades. Sin embargo, en algunos casos, solo un observador experimentado puede decidir la cuestión.

~Cambios en el estado físico.~ Debe prestarse especial atención a una clase de cambios físicos, ya que puede resultar engañosa. Es un hecho conocido que el hielo se transforma en agua, y el agua en vapor, al calentarla. Aquí tenemos tres sustancias diferentes: el hielo sólido, el agua líquida y el vapor gaseoso, cuyas propiedades difieren ampliamente. Sin embargo, el químico puede demostrar fácilmente que estos tres cuerpos tienen exactamente la misma composición, estando formados por las mismas sustancias en la misma proporción. Por lo tanto, el cambio de una de estas sustancias a otra es un cambio físico. Muchas otras sustancias pueden, bajo condiciones adecuadas, pasar de sólidos a líquidos, o de líquidos a gases, sin cambiar su composición. Así, la mantequilla y la cera se funden al calentarse; el alcohol y la gasolina se evaporan al exponerse al aire. Los tres estados—sólido, líquido y gaseoso—se llaman los tres estados físicos de la materia.

~Propiedades físicas y químicas.~ Muchas propiedades de una sustancia pueden observarse sin que la sustancia experimente un cambio químico, y por lo tanto se llaman sus propiedades físicas. Entre ellas están su estado físico, color, olor, sabor, tamaño, forma y peso. Otras propiedades solo se descubren cuando la sustancia experimenta un cambio químico. Estas se llaman sus propiedades químicas. Así, encontramos que el carbón arde en el aire, la pólvora explota al encenderse, la leche se agria al exponerse al aire.

~Definición de física y química.~ Ahora es posible hacer una distinción general entre la física y la química.

DEFINICIÓN: La física es la ciencia que trata de aquellos cambios en la materia que no implican un cambio en la composición.

DEFINICIÓN: La química es la ciencia que trata de aquellos cambios en la materia que sí implican un cambio en la composición.

~Dos factores en todos los cambios.~ En todos los cambios que la materia puede experimentar, sean físicos o químicos, deben tomarse en cuenta dos factores: la energía y la materia.

~Energía.~ Es un hecho conocido que ciertos cuerpos tienen la capacidad de realizar trabajo. Así, el agua que cae desde una altura sobre una rueda hidráulica la hace girar y de este modo realiza el trabajo de los molinos. El hierro magnetizado atrae el hierro hacia sí y el movimiento del hierro al acercarse al imán puede utilizarse para realizar trabajo. Cuando se quema carbón, hace que la máquina se mueva y transporta los vagones cargados de un lugar a otro. Cuando un cuerpo tiene esta capacidad de realizar trabajo, se dice que posee energía.

~Ley de conservación de la energía.~ Experimentos cuidadosos han demostrado que cuando un cuerpo cede su energía, la energía no se destruye sino que se transfiere a otro cuerpo o sistema de cuerpos. Así como la energía no puede destruirse, tampoco puede crearse. Si un cuerpo gana cierta cantidad de energía, otro cuerpo ha perdido una cantidad equivalente. Estos hechos se resumen en la ley de conservación de la energía, que puede enunciarse así: Aunque la energía puede transformarse de una forma a otra, no puede crearse ni destruirse.

~Transformaciones de la energía.~ Aunque la energía no puede crearse ni destruirse, es evidente que puede asumir muchas formas diferentes. Así, el agua que cae puede accionar el generador eléctrico y producir una corriente eléctrica. La energía perdida por el agua que cae se transforma así en la energía de la corriente eléctrica. Esta, a su vez, puede convertirse en energía de movimiento, como cuando la corriente se usa para impulsar los vagones, o en energía de calor y luz, como cuando se utiliza para calentar e iluminar los vagones. Nuevamente, la energía del carbón puede convertirse en energía de calor y posteriormente en energía de movimiento, como cuando se utiliza como combustible en las máquinas de vapor.

Dado que la energía que posee el carbón solo se vuelve disponible cuando el carbón experimenta un cambio químico, a veces se la llama energía química. Es esta forma de energía la que nos interesa especialmente en el estudio de la química.

~Materia.~ La materia puede definirse como aquello que ocupa espacio y posee peso. Al igual que la energía, la materia puede transformarse muchas veces de una forma a otra; y dado que en estas transformaciones todas las demás propiedades físicas de una sustancia, excepto el peso, suelen cambiar, surge la pregunta: ¿Cambia también el peso? Muchos experimentos cuidadosos han demostrado que no es así. El peso de los productos formados en cualquier cambio de la materia siempre es igual al peso de las sustancias que experimentan el cambio.

~Ley de conservación de la materia.~ La importante verdad recién mencionada se conoce frecuentemente como la ley de conservación de la materia, y esta ley puede enunciarse brevemente así: La materia no puede crearse ni destruirse, aunque puede transformarse de una forma a otra.

~Clasificación de la materia.~ A primera vista, parece no haber límite para las variedades de materia de las que está hecho el mundo. Para facilitar el estudio, podemos clasificar todas estas variedades en tres grupos: mezclas mecánicas, compuestos químicos y elementos.

Mezclas mecánicas. Si se mezclan completamente volúmenes iguales de sal común y limaduras de hierro, se obtiene un producto que, a simple vista, parece ser una nueva sustancia. Sin embargo, si se examina más detenidamente, se verá que no es más que una mezcla de sal y hierro, cada una de las cuales conserva sus propias propiedades características. La mezcla sabe exactamente igual que la sal; se pueden ver las partículas de hierro y detectar su textura arenosa. Un imán frotado en la mezcla extrae el hierro como si la sal no estuviera presente. Por otro lado, la sal puede separarse del hierro con bastante facilidad. Así, si se colocan varios gramos de la mezcla en un tubo de ensayo, se llena el tubo hasta la mitad con agua y se agita bien, la sal se disuelve en el agua. Las partículas de hierro pueden entonces filtrarse del líquido vertiendo toda la mezcla sobre un trozo de papel de filtro doblado para ajustarse al interior de un embudo (Fig. 1). El papel retiene el sólido pero permite que el líquido claro, conocido como filtrado, escurra. Las partículas de hierro que quedan en el papel de filtro resultarán ser idénticas al hierro original. La sal puede recuperarse del filtrado evaporando el agua. Para lograr esto, el filtrado se vierte en un pequeño plato de evaporación y se calienta suavemente (Fig. 2) hasta que el agua desaparece, o se evapora. El sólido que queda en el plato es idéntico en todos los aspectos a la sal original. Tanto el hierro como la sal han sido recuperados en su estado original. Es evidente que no se ha formado ninguna sustancia nueva al mezclar la sal y el hierro. Este producto se llama mezcla mecánica. Tales mezclas son muy comunes en la naturaleza, casi todos los minerales, arenas y suelos son ejemplos de esta clase de sustancias. Es evidente que no existe una ley que regule la composición de una mezcla mecánica, y es poco probable que dos mezclas tengan exactamente la misma composición. Los componentes de una mezcla mecánica generalmente pueden separarse por medios mecánicos, como tamizado, clasificación, atracción magnética, o disolviendo uno de los componentes y dejando el otro sin cambios.

DEFINICIÓN: Una mezcla mecánica es aquella en la que los componentes conservan sus propiedades originales, ya que no ha ocurrido ninguna acción química al juntarlos.

Compuestos químicos. Si se muelen completamente limaduras de hierro y azufre en polvo en un mortero, se obtiene una sustancia de color verde amarillento. Podría fácilmente tomarse por un nuevo cuerpo; pero, como en el caso del hierro y la sal, los componentes pueden separarse fácilmente. Un imán extrae el hierro. El agua no disuelve el azufre, pero otros líquidos sí, como por ejemplo el líquido llamado disulfuro de carbono. Cuando la mezcla se trata con disulfuro de carbono, el hierro queda sin cambios, y el azufre puede recuperarse, después de filtrar el hierro, evaporando el líquido. Por lo tanto, la sustancia es una mezcla mecánica.

Si ahora se coloca una nueva porción de la mezcla en un tubo de ensayo seco y se calienta cuidadosamente en la llama de un mechero Bunsen, como se muestra en la Fig. 3, ocurre un cambio notable. La mezcla comienza a brillar en algún punto, y el resplandor se extiende rápidamente por toda la masa. Si se rompe el tubo de ensayo y se examina el producto, se encontrará que es una sustancia dura, negra y quebradiza, que no recuerda en nada al hierro ni al azufre. El imán ya no la atrae; el disulfuro de carbono no disuelve azufre de ella. Es una nueva sustancia con nuevas propiedades, resultado de la unión química del hierro y el azufre, y se llama sulfuro de hierro. Tales sustancias se llaman compuestos químicos, y se diferencian de las mezclas mecánicas en que las sustancias que los forman pierden sus propiedades características. Más adelante veremos que también se diferencian en que la composición de un compuesto químico nunca varía.

DEFINICIÓN: Un compuesto químico es una sustancia cuyos componentes han perdido sus propiedades características y que no puede separarse salvo por un cambio químico.

Elementos. Se ha visto que el sulfuro de hierro está compuesto de dos sustancias completamente diferentes: hierro y azufre. Surge la pregunta: ¿Contienen estas sustancias a su vez otras sustancias, es decir, son también compuestos químicos? Los químicos han intentado de muchas maneras descomponerlas, pero todos sus esfuerzos han fracasado. Las sustancias que han resistido todos los intentos de descomposición en otras sustancias se llaman elementos. No siempre es fácil probar que una sustancia dada es realmente un elemento. Puede existir algún método aún no intentado que logre descomponerla en formas más simples de materia, y el supuesto elemento resultará ser un compuesto. El agua, la cal y muchos otros compuestos familiares fueron en su momento considerados elementos.

DEFINICIÓN: Un elemento es una sustancia que no puede separarse en sustancias más simples por ningún medio conocido.

Clases de materia. Aunque la materia se ha agrupado en tres clases para fines de estudio, será evidente que en realidad sólo hay dos tipos distintos de materia: compuestos y elementos. Una mezcla mecánica no es un tercer tipo distinto de materia, sino que está formada por cantidades variables de compuestos, elementos o ambos.

Alquimia. En la antigüedad se pensaba que podía encontrarse algún método para transformar un elemento en otro, y se hicieron muchos intentos para lograr esta transformación. La mayoría de estos esfuerzos se dirigieron a convertir los metales comunes en oro, y se describieron muchas formas imaginativas para hacerlo. Los químicos de esa época eran llamados alquimistas, y el arte que practicaban se llamaba alquimia. Los alquimistas llegaron gradualmente a la conclusión de que la única manera de convertir los metales comunes en oro era mediante el poder maravilloso de una sustancia mágica que llamaron la piedra filosofal, la cual lograría esta transformación con solo tocar y, además, otorgaría la juventud perpetua a su afortunado poseedor. Nadie ha encontrado jamás tal piedra, y nadie ha logrado transformar un metal en otro.

Número de elementos. El número de sustancias que actualmente se consideran elementos no es grande: alrededor de ochenta en total. Muchos de ellos son raros, y muy pocos constituyen una fracción significativa de los materiales de la corteza terrestre. Clarke ofrece la siguiente estimación de la composición de la corteza terrestre:

Oxígeno 47.0% Calcio 3.5% Silicio 27.9% Magnesio 2.5% Aluminio 8.1% Sodio 2.7% Hierro 4.7% Potasio 2.4% Otros elementos 1.2%

En el Apéndice se da una lista completa de los elementos. En esta lista, los elementos más comunes están marcados con un asterisco. No es necesario estudiar más de un tercio del número total de elementos para obtener un muy buen conocimiento de la química.

Estado físico de los elementos. Aproximadamente diez de los elementos son gases a temperaturas ordinarias. Dos — el mercurio y el bromo — son líquidos. Los demás son sólidos, aunque sus puntos de fusión varían ampliamente, desde el cesio, que funde a 26 grados, hasta elementos que sólo funden en el calor intenso de un horno eléctrico.

Ocurrencia de los elementos. Relativamente pocos elementos se encuentran en la naturaleza como sustancias no combinadas; la mayoría se encuentra en forma de compuestos químicos. Cuando un elemento se encuentra solo, como ocurre con el oro, decimos que se encuentra en estado libre o nativo; cuando está combinado con otras sustancias en forma de compuestos, decimos que se encuentra en estado combinado, o en combinación. En este último caso, generalmente hay poco en el compuesto que sugiera la presencia del elemento; pues hemos visto que los elementos pierden sus propiedades peculiares cuando se combinan con otros elementos. Por ejemplo, nunca se sospecharía que el mineral de hierro de aspecto terroso y rojizo contiene hierro.

Nombres de los elementos. Los nombres dados a los elementos han sido seleccionados de muchas maneras diferentes. (1) Algunos nombres son muy antiguos y su significado original es oscuro. Tales nombres son hierro, oro y cobre. (2) Muchos nombres indican alguna propiedad física notable del elemento. El nombre bromo, por ejemplo, proviene de una palabra griega que significa hedor, en referencia al olor extremadamente desagradable de la sustancia. El nombre yodo proviene de una palabra que significa violeta, aludiendo al hermoso color del vapor de yodo. (3) Algunos nombres indican propiedades químicas destacadas de los elementos. Así, nitrógeno significa productor de nitrato, ya que el nitrógeno es un componente del nitrato o salitre. Hidrógeno significa formador de agua, indicando su presencia en el agua. Argón significa perezoso o inerte, el elemento recibió este nombre debido a su inactividad. (4) Otros elementos llevan nombres de países o localidades, como germanio y escandio.

~Símbolos.~ Para indicar los elementos presentes en los compuestos, resulta incómodo utilizar nombres tan largos, por lo que los químicos han adoptado un sistema de abreviaturas. Estas abreviaturas se conocen como símbolos, y cada elemento tiene un símbolo distintivo. (1) A veces, la letra inicial del nombre basta para indicar el elemento. Así, I representa el yodo, C el carbono. (2) Por lo general, es necesario añadir alguna otra letra característica al símbolo, ya que varios nombres pueden comenzar con la misma letra. Así, C representa el carbono, Cl el cloro, Cd el cadmio, Ce el cerio, Cb el columbio. (3) En ocasiones, el símbolo es una abreviatura del antiguo nombre en latín. De este modo, Fe (ferrum) indica el hierro, Cu (cuprum), el cobre, Au (aurum), el oro. Los símbolos se incluyen en la lista de elementos que aparece en el Apéndice. Se familiarizará con ellos mediante el uso constante.

~La afinidad química como causa de la combinación química.~ La fuerza que hace que las sustancias se combinen y que las mantiene unidas cuando están combinadas se llama afinidad química. Sin embargo, los experimentos descritos en este capítulo muestran que a menudo es necesario el calor para provocar la acción química. Debe hacerse claramente la distinción entre la causa que produce la acción química y las circunstancias que la favorecen. La afinidad química es siempre la causa de la unión química. Muchos agentes pueden hacer posible que la afinidad química actúe, superando las circunstancias que se oponen a ella. Entre estos agentes se encuentran el calor, la luz y la electricidad. Por lo general, la disolución también favorece la acción entre dos sustancias. A veces, estos agentes pueden superar la atracción química y así provocar la descomposición de un compuesto.

EJERCICIOS

1. ¿A qué clase de cambios pertenecen los siguientes? (a) La fusión del hielo; (b) la acidificación de la leche; (c) la combustión de una vela; (d) la explosión de la pólvora; (e) la corrosión de los metales. ¿Qué pregunta de comprobación debe aplicarse en cada uno de los casos anteriores?

2. Dé dos ejemplos adicionales (a) de cambios químicos; (b) de cambios físicos.

3. ¿Un cambio químico siempre va acompañado de un cambio físico? ¿Un cambio físico siempre va acompañado de un cambio químico?

4. Mencione dos o más características de un cambio químico.

5. (a) Cuando una cantidad determinada de agua se congela, ¿absorbe o desprende calor? (b) Cuando el hielo resultante se funde, ¿el cambio total de calor es igual o diferente al de la congelación?

6. Dé tres ejemplos de cada uno de los siguientes: (a) mezclas mecánicas; (b) compuestos químicos; (c) elementos.

7. Indique el origen de los nombres de los siguientes elementos: torio, galio, selenio, uranio. (Consulte el diccionario.)

8. Dé ejemplos de cambios químicos que se producen mediante la acción del calor; de la luz; de la electricidad.