Introducción A La Química Inorgánica

UNIDAD Nº 1: INTRODUCCION A LA QUIMICA Y A LA EXPERIMENTACION

1.1 INTRODUCCIÓN

1.1.1 CONTENIDOS TEORICOS

Motivación al estudio de la química. Fenómenos químicos. Enfoques microscópico y macroscópico. Ideas cualitativas de movimiento, temperatura y energía cinética. Relación con energías potenciales: la energía cinética como medida de cuán fuerte es una interacción (que es el objeto central de este curso). Teoría cinética de los gases ideales. Distribución de velocidades (Maxwell-Boltzman). Idea de interacciones entre átomos como determinante de los fenómenos químicos. Clasificación cualitativa de los tipos de interacciones: uniones covalentes, intermoleculares, iónicas, metálica. Órdenes de magnitud. Relación con curvas/superficies de energía potencial. Clasificación de fenómenos químicos. Estequiometría.

1.1.2 RESUMEN DE CONTENIDOS

1.1.2.1 La Química en el contexto del desarrollo histórico de las Ciencias Naturales.

Las Ciencias Naturales, incluyendo la Química, fueron cambiando de objetivos y métodos a lo largo de la historia de la humanidad. En la Antigüedad, la Filosofía Natural era guiada muchas veces por preguntas ontológicas como ¿qué? (qué existe, qué sucede) y teleológicas como ¿para qué? (para qué cae la piedra, por ejemplo). En la modernidad, en cambio, siguiendo otros cambios en la sociedad y otras ramas de la filosofía, a las preguntas metafísicas se sumaron preguntas del tipo de ¿cómo?. Cobró mayor relevancia poder predecir los fenómenos naturales y su ocurrencia; muchas veces se encontraban sólo relaciones empíricas entre las variables físicas y químicas, llamadas leyes fenomenológicas. En ellas se halla una relación entre distintas variables, pero no se busca explicar el origen o la razón de esas relaciones. A modo de ejemplo, podemos mencionar las leyes de los gases, como las de Boyle-Mariotte y Gay-Lussac. En la mayoría de los casos el avance hasta poder demostrar la validez y las limitaciones de las leyes fenomenológicas siguió el avance del conocimiento del ser humano.

En Química: la alfarería, la metalurgia, la fabricación de vidrios, la fabricación y uso de distintos materiales, se produjo de esa forma. En este curso se presentarán y expondrán las leyes fenomenológicas, dando en los casos en que sea posible explicaciones en términos de propiedades atómico-moleculares o de teorías generales como la termodinámica.

Es muy válido que en las Ciencias Naturales se observe que “de la certeza salen los errores, (pero) los errores producen certeza (La Balsa de Piedra, José Saramago)”; la ciencia es como una gimnasia de prueba y error. En definitiva, siempre es posible encontrar explicaciones alternativas, o más completas, o rigurosas de los fenómenos que estemos estudiando, y trataremos en el curso de

Química General e Inorgánica I – 1er Cuatrimestre 2014 – Unidad 1

2

trabajar la idea que toda explicación científica es necesariamente, limitada y mejorable. Explicaciones más rigurosas serán objeto de materias en cursos superiores.

Como ejemplo puede decirse que en 2013 se cumplieron los cien años de la publicación por Niels Bohr del trabajo “Sobre la Constitución de Átomos y Moléculas” (Philos. Mag. 26, 1913), trabajo de importancia seminal. Este brillante científico que fue galardonado con el Premio Nobel suponía que la molécula de agua (H2O) era lineal. El tiempo y el conocimiento químico y físico que fue avanzando, demostró que esa suposición era errónea. Esto no empañó los geniales aportes de científicos que, como Bohr, habían formulado hipótesis sobre el comportamiento de la materia que luego debieron ser abandonadas, reformuladas o mejoradas.

1.1.2.2 ¿Qué es la Química?

Como ocurre muchas veces en ciencia, no hay una única respuesta. Podemos decir que la química es una ciencia natural, es decir que emplea metodologías científicas para estudiar algunos fenómenos o propiedades naturales, que podemos llamar fenómenos o propiedades químicas. Los fenómenos y propiedades químicas están determinados por las propiedades de la materia estudiada, pero además tratan de conciliar la visión atómico-molecular del fenómeno con el comportamiento macroscópico que resulta de la misma sustancia. A modo de ejemplo podemos mencionar algunos fenómenos:

1. Por qué se evapora el agua cuando se aumenta la temperatura.

2. Por qué el cobre conduce la electricidad más fácilmente que el plomo.

3. Por qué el vino tinto es de color morado.

4. Por qué nos envenenamos cuando respiramos en una atmósfera en la cual hay una combustión incompleta.

5. Por qué se corroe el hierro.

6. Por qué se forma el agujero de ozono en la atmósfera.

Se puede notar que muchos de estos ejemplos son también objeto de estudio de otras disciplinas como la física, la biología, la medicina, la meteorología, etc. Esta característica interdisciplinaria o transversal es típica de la química, a la que muchos denominan la ciencia central. Ello debido a que la química trata de unir el comportamiento de átomos y moléculas con las propiedades de la materia macroscópica, que es la más usual a nivel humano. Puede mencionarse como rasgo característico de la Química el énfasis especial en la composición de los materiales y como cambian sus propiedades macroscópicas.

También se trata de la ciencia que atraviesa el mundo atómico-molecular y lo conecta con el comportamiento de la materia macroscópica. Es una disciplina sumamente relevante en el diseño de moléculas y dispositivos utilizando el razonamiento deductivo o análisis (método de diseño top-down) y también la síntesis (método bottom-up). Así:

i) Partiendo de la materia macroscópica llegar a sus componentes más simples (en general átomos y moléculas)1; ii) partiendo de los componentes o ladrillos del diseño (en general átomos y moléculas) a sintetizar moléculas complejas o dispositivos de

1 Por supuesto, para otras disciplinas los componentes más simples pueden ser otros. Por ejemplo, la Física de Partículas estudia las propiedades e interacciones de las partículas subatómicas que componen la materia y la radiación.

Química General e Inorgánica I – 1er Cuatrimestre 2014 – Unidad 1

3

gran utilidad práctica. Por supuesto que muchas veces haciendo uso del conocimiento correspondiente a otras disciplinas.

La idea fundamental que subyace en la concepción actual de la química es la hipótesis atómica, que establece que todo material está compuesto por átomos, y que todas las transformaciones químicas son simplemente reorganizaciones de átomos. Esta idea se puede ilustrar en la respuesta a la siguiente pregunta dada por el físico estadounidense Richard Feynman (1918-1988).

Si por algún cataclismo fuera destruido todo el conocimiento científico y solamente pasara una frase a la siguiente generación de criaturas, ¿cuál enunciado tendría el máximo de información con el mínimo de palabras? La respuesta de Richard Feynman fue que sería la hipótesis atómica.

La química es una disciplina científica de gran importancia para el desarrollo de la tecnología, entre otras. Como tal, tiene por un lado asociadas actividades de observación o experimentación, en las cuales tratamos de extraer características de fenómenos y sistemas observados. Por otra parte, y quizás lo más interesante, es la construcción humana colectiva que consiste en proponer teorías y modelos que nos permitan proveer explicaciones a fenómenos o propiedades de materiales sobre la base del comportamiento atómico-molecular, y también a realizar predicciones sobre los mismos. Vale mencionar que la relación entre estos dos procesos ha suscitado una larga discusión en la Filosofía de las Ciencias. Algunas corrientes suponen que el proceso de observación y experimentación permite obtener “hechos objetivos” u “observables”, a partir de los cual uno puede obtener teorías científicas por inducción, o poner a prueba teorías por el método hipotético-deductivo. Otras corrientes plantean que la observación y la experimentación están guiadas por supuestos teóricos (no siempre explícitos), y por ende la relación entre “hechos” y “teorías” es mucho más compleja.

Estas actividades han tenido distintas fuerzas impulsoras a lo largo de la historia de la humanidad. En la antigüedad, muchas veces se trataba de preguntas metafísicas guiadas por la simple curiosidad de entender y explicar lo que sucede en la naturaleza (aunque no hay que olvidar las preocupaciones estrictamente ligadas a los cultivos en el delta del río Nilo en el caso de la civilización egipcia, por ejemplo). Pero en la modernidad, especialmente luego de la Revolución Industrial, las preocupaciones tecnológicas pasan a cobrar mucha relevancia. Conocidos ejemplos son la termodinámica asociada a las máquinas de vapor desarrollada desde finales del siglo XVIII, o la producción de amoníaco y sus derivados (para fertilizantes y explosivos) durante y después de la Primera Guerra Mundial. De aquí que las consecuencias aplicadas sean enormes. En particular, las predicciones son de fundamental interés para influir sobre la naturaleza por medio de la tecnología. En este contexto, no olvidemos lo que dice S. Hawkins:

Las teorías físicas son solo modelos matemáticos y no tiene sentido preguntarse si corresponden o no a la realidad. Lo único que uno puede preguntarse es si sus predicciones están de acuerdo con lo que se observa.

Stephen Hawking, A Brief History of Time

A modo de ejemplo, podemos en primer lugar observar un fenómeno; por ejemplo que si se mezcla en

...