11. Referencias bibliográficas | ⚗️ Introducción a la química | Joseleg

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7. Generalidades de los cálculos químicos | ⚗️ Introducción a la química | Joseleg

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Uno de los temas tradicionales de la química lidia con el cálculo de cantidades físicas, que conoceremos como los parámetros, magnitudes o condiciones bajo los cuales se manifiestan las propiedades de un sistema químico. Algunos parámetros son altamente variables y otros son constantes universalmente, así como otros que solo son constante bajo ciertas condiciones especiales.

Unidades y medidas

Para poder identificar los parámetros que condicionan los sistemas, estos deben ser estandarizados a través de un nombre, una unidad estándar, y símbolos para ambos, cuestión con la que lidia el Sistema Internacional de Unidades (Stock, 2018) y el Libro de Oro de la IUPAC (IUPAC, 2020). Con base a estas fuentes se definen siete parámetros fundamentales:

👉 masa medida en kilogramos.

👉 longitud en metros.

👉 cantidad de sustancia en moles.

👉 tiempo en segundos.

👉 temperatura el kelvins.

👉 intensidad luminosa en candelas.

👉 intensidad de corriente en amperios.

A parte de estas siete existen otros parámetros cuyas unidades de medida surgen por combinaciones, o por la falta de unidades, con las cuales podemos crear modelos llamados leyes naturales.

Leyes naturales

Las leyes científicas o leyes de la ciencia son declaraciones, basadas en experimentos u observaciones repetidos, que describen o predicen una variedad de fenómenos naturales.  Por lo general, una ley se puede formular como uno o varios enunciados o ecuaciones, de modo que pueda predecir el resultado de un experimento. Las leyes difieren de las hipótesis y los postulados, que se proponen durante el proceso científico antes y durante la validación mediante experimentación y observación. Las hipótesis y los postulados no son leyes, ya que no han sido verificados en el mismo grado, aunque pueden conducir a la formulación de leyes.

Matemáticamente hablando, las leyes se corporizan en fórmulas matemáticas, las cuales obedecen a funciones como la recta, o la exponencial:

Figura 7‑1. Modelos matemáticos más comunes sobre los cuales se construyen las leyes naturales de la ciencia: (a) modelo lineal simple, (b) modelo lineal inverso, (c) modelo lineal de pendiente negativa, (d) modelo exponencial cuadrático.

Aunque existen leyes que implican funciones matemáticas más complejas, las leyes fundamentales con las que iniciamos la enseñanza de la química son en su gran mayoría lineales, siendo rectas ascendentes que indican una relación de proporcionalidad directa con un intersecto (b) en el origen, como es el caso de la segunda ley de Avogadro V = V_m n, donde V es el volumen de un gas en litros, V_m es una constante que funciona como la pendiente y n es la cantidad de sustancia en moles.

En base a las leyes naturales se pueden plantear ejercicios de lápiz y papel que involucran calcular algún término o parámetro que constituye a la ecuación, conociendo los demás, lo cual involucra la manipulación algebraica.

Diferencia entre problema y ejercicio

Los ejercicios de lápiz y papel que afrontamos en ciencias naturales especialmente en química y en física, pueden ser clasificados en dos categorías diferentes: problemas y ejercicios. Aunque parecen dos categorías exactamente iguales existen diferencias importantes.

Los problemas son situaciones con un alcance general, para estas situaciones no existe un plan estandarizado de la resolución, qué denominamos algoritmo. En otras palabras, son situaciones para las cuales debemos diseñar nuestro propio algoritmo empleando las leyes fundamentales de la física, la química y las matemáticas. También tendremos un problema cuando nos pidan demostrar porque un algoritmo es realmente válido, más allá de una contrastación trivial valores numéricos.

Los químicos tienden a contrastar las leyes, pero no a demostrarlas, lo cual se hace evidente en sus libros de texto, pues nos presentan algoritmos de solución, pero no nos indican porque estos son válidos más allá de darnos ejemplos numéricos donde estos funcionan bien. Por el contrario, los físicos si tienen una tradición de demostrar las leyes empleando, otras leyes previas combinadas ingeniosamente con las leyes del álgebra y las leyes del cálculo, proceso que denominamos demostración matemática.

Por su parte un ejercicio es una situación trivial para la actualidad tenemos un procedimiento estandarizado que se encuentra sumarizado en un algoritmo o en una ecuación despejada, la cual ya está lista para reemplazar y calcular.

Algoritmos químicos

Aunque muchos capítulos de un libro de texto de química emplean ecuaciones, cómo podemos verlo en el capítulo de gases o en el capítulo de cinética química, muchos otros capítulos emplean lo qué se denomina como aritmética y química, la cual se basa en el uso de diagramas de flujo combinados con factores de conversión. Esta tradición se encuentra enraizada en el manejo de proporciones, razones o radios para encontrar relaciones de proporcionalidad químicas, pero genera un contraste con los capítulos que si usan ecuaciones.

En nuestro curso de química trataremos de romper con esta tradición manejando todas las matemáticas con ecuaciones.

Cambios de estado

Algunos parámetros químicos como la masa de una sustancia cambian con el tiempo. Podemos medir el cambio de dos formas, como un cambio de estado discreto o como un cambio de estado infinitesimal. La mayoría de los cambios de estado usados en los capítulos iniciales del curso de química son cambios discretos donde analizamos un momento inicial y un momento final, pero sin que nos importe como se dieron los cambios en medio de esos dos momentos.

Poor el contrario, un cambio de estado infinitesimal o instantáneo debería permitirnos determinar cómo cambia el sistema para cualquier rango de tiempo.

Cambio de identidad

En química, a diferencia de la física, no tenemos únicamente cambios de estado, también tenemos transformaciones químicas que llevan al cambio en la identidad de la sustancia, por lo que la masa de una sustancia A se convierte en una masa de otra sustancia llamada B.

 

6. Generalidades del lenguaje | ⚗️ Introducción a la química | Joseleg

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Fundada en julio de 1919 para crear un lenguaje común para la química que permita la organización de la información química en un momento en que los químicos nombraban compuestos de forma rutinaria de acuerdo con sus preferencias personales, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha evolucionado con los tiempos. El lenguaje que creó inicialmente la IUPAC se basó en el modo de comunicación de hace cien años (verbal y/o escrito) y durante el último siglo ese lenguaje y sus estándares relacionados han facilitado con éxito el rápido avance de la ciencia. Aunque ha habido grandes cambios en la química y la tecnología de la información durante el siglo pasado, los desafíos de comunicación que enfrentan los químicos siguen siendo sorprendentemente similares a los de hace un siglo. A lo largo de los años, los estándares de la IUPAC han seguido desempeñando un papel esencial para garantizar que los enfoques innovadores para la gestión de la información sean consistentes y compatibles con versiones anteriores para facilitar el acceso continuo al rico registro histórico de la disciplina.

Símbolos de los elementos

La química tiene su propio lenguaje, como símbolo, ecuación, ion, valencia, átomo, elemento, molécula, reacción, etc. Un símbolo químico denota, en resumen, un elemento particular o un átomo de ese elemento, aunque más lo segundo que lo primero. Las reacciones químicas son más fáciles de escribir con símbolos químicos que tener que escribir largos nombres químicos. Muchos científicos han ideado varios métodos para la representación simbólica.

Figura 6-1. El símbolo de un elemento está formado por una letra mayúscula, o por la combinación de una letra mayúscula y una minúscula, por lo que C es carbono, O es oxígeno, pero Co es cobalto.

Tabla periódica.

los símbolos de los elementos químicos, así como muchos de sus propiedades fundamentales sustancias se encuentran consignados en el instrumento denominado la tabla periódica.

La tabla periódica recibe su nombre debido al hecho de que muchas sustancias químicas poseen propiedades que se van repitiendo, generando grupos de sustancias u organismos familias y nos permiten predecir las propiedades de dichas sustancias en haciendo algunos mundos de dichas familias

Para poder construir la tabla periódica fue necesario la creación de una técnica que permite estandarizar el peso relativo de los átomos al interior de los elementos como sustancias, dicha técnica fue conocida como la técnica de Cannizzaro, la cual se basó en los presupuestos fundamentales, y en su momento sumamente hipotéticos, de la existencia de los átomos “ hipótesis de Dalton” y la existencia de las moléculas “Hipótesis de Avogadro”, usando las sustancias gaseosas como sistema de medición básico.

Poder de enlace

La valencia es la capacidad de combinación de un elemento, su poder de enlace. En otras palabras, el número de electrones que un átomo puede ganar o compartir o perder cuando tiene lugar una reacción química define su valencia. La clasificación de los elementos en monovalentes, divalentes, etc. se realiza en función de su valencia. Las moléculas se forman para satisfacer la valencia de un átomo.

Formulación de compuestos y sus nombres

Una reacción química implica la transformación de un conjunto de sustancias químicas en otro conjunto. Conduce a cambios en las propiedades químicas y físicas de una sustancia. También conduce al cambio en el estado físico y la composición de esa sustancia. Las sustancias con más de dos elementos unidos químicamente se conocen como compuestos. La fórmula química representa los elementos de los que está hecho un compuesto, empleando los símbolos de los elementos que componen al compuesto y subíndices que indicar la proporción relativa o verdadera de esos elementos en cada molécula, donde el subíndice 1 va implícito.

La fórmula química juega un papel importante en la comprensión de la formación de una sustancia y las proporciones de los elementos en una reacción química específica. Es vital conocer el símbolo de los elementos de un compuesto, la valencia de los elementos y la fórmula de los radicales para escribir una fórmula química.

Existen muchos tipos de fórmulas químicas cuyas reglas de escritura dependiendo del nivel de especificidad que pretendemos modelar, sin embargo, las dos más comunes son las fórmulas empíricas y moleculares. Las fórmulas empíricas obedecieron inicialmente a proporciones de una sustancia en términos de reacciones de descomposición y llevaron a la idea de la existencia de los átomos como explicación fundamental de las proporciones definidas. Por otro lado, las fórmulas moleculares representan la verdadera proporción en términos de número de átomos que compone un compuesto de elementos formados por moléculas.

Tanto el Libro Rojo como el Libro Azul publicado es por la unión internacional de química pura y aplicada (Connelly et al., 2005; IUPAC, 2001), lidian con el problema de nombrar las sustancias dependiendo de sus fórmulas moleculares y también de sus distribución tridimensional es decir su estructura.

Reacciones químicas

Una reacción química es un cambio en la identidad de las sustancias denominadas reactivos, para formar nuevas sustancias que denominamos productos, debido a un cambio en la estructura y organización de los átomos que componen a las sustancias y un cambio energético asociado.

Podemos distinguir las reacciones químicas en base a su estructura siendo clasificadas como: de descomposición; síntesis; desplazamiento; o doble desplazamiento.

También podemos distinguir las reacciones químicas en base a su consumo producción energética siendo aquellas que consumen calor como endotérmicas y aquellas que producen calor como exotérmicas.

Para representar estos procesos químicos han desarrollado un lenguaje que representa a estos cambios y se los denomina en su conjunto como una ecuación química. Los símbolos más básicos de una ecuación química es el + que representa la mezcla o combinación de los reactivos de manera apropiada para que estos reaccionen; y → qué representa un cambio de estado del sistema, desde un estado inicial a un estado final y normalmente se lee como produce.

De acuerdo con la ley de conservación de la masa, la cantidad de cada elemento no cambia en una reacción química, lo que significa que cada lado de la ecuación química debe equivaler a la misma cantidad de cualquier elemento en particular. En una reacción química, la carga también se conserva. Por lo tanto, ambos lados de la ecuación balanceada deben representar la misma carga. Las ecuaciones balanceadas se pueden escribir utilizando los coeficientes de números enteros más pequeños. El coeficiente 1 está implícito cuando no hay ningún coeficiente antes de una fórmula química.