Doble hélice de la molécula de ADN.
Esquema de un átomo de helio.
Química (palabra que podría provenir de los términos griegos χημία o χημεία, quemia y quemeia respectivamente)es la ciencia que estudia tanto la composición, estructura y propiedades de la materia como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía. Es definida, en tanto, por Linus Pauling, como la ciencia que estudia las sustancias, su estructura (tipos y formas de acomodo de los átomos), sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias.
La química moderna se fue formulando a partir de la alquimia, una práctica protocientífica de carácter filosófico, que combina elementos de la química, la metalurgia, la física, la medicina, la biología, entre otras ciencias y artes. Esta fase termina al ocurrir la llamada, Revolución de la química, basada en la ley de conservación de la masa y la teoría de la oxígeno-combustión postuladas por el científico francés, Antoine Lavoisier.
Las disciplinas de la química se agrupan según la clase de materia
bajo estudio o el tipo de estudio realizado. Entre éstas se tienen la química inorgánica, que estudia la materia inorgánica; la química orgánica, que estudia la materia orgánica; la bioquímica, que estudia las substancias existentes en organismos biológicos; la fisicoquímica, que comprende los aspectos energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópicas, moleculares y atómicas, o la química analítica, que analiza muestras de materia y trata de entender su composición y estructura.
Historia
Las primeras civilizaciones, como los egipcios los babilónicos, concentraron un conocimiento práctico en lo que
concierne a las artes relacionadas con la metalurgia, cerámica y tintes,
sin embargo, no desarrollaron teorías complejas sobre sus
observaciones.
Hipótesis básicas emergieron de la antigua Grecia con la teoría de
los cuatro elementos propuesta por Aristóteles. Esta postulaba que el
fuego, aire, tierra y agua, eran los elementos fundamentales por los
cuales todo está formado como mezcla. Los atomicistas griegos datan del
año 440 A.C, en manos de filósofos como Demócrito y Epicuro. En el año
50 Antes de Cristo, el filosofó romano Lucrecio, expandió la teoría en
su libro De Rerum Natura (En la naturaleza de las cosas)
Al contrario del concepto moderno de atomicismo, esta teoría
primitiva estaba enfocada más en la naturaleza filosófica de la
naturaleza, con un interés menor por las observaciones empíricas y sin
interés por los experimentos químicos.
En el mundo Helénico la Alquimia en principio proliferó, en
combinación con la magia y el ocultismo, como una forma de estudio de
las substancias naturales para transmutarlas en oro y descubrir el
elixir de la eterna juventud.
La Alquimia fue descubierta y practicada ampliamente en el mundo árabe
después de la conquista de los musulmanes, y desde ahí, fue
difuminándose hacia todo el mundo medieval y la Europa Renacentista a
través de las traducciones latinas.
Química como ciencia
Robert Boyle
Bajo la influencia de los nuevos métodos empíricos propuestas por Sir
Francis Bacon, Robert Boyle, Robert Hooke, John Mayow, entre otros,
comenzaron a remodelarse las viejas tradiciones acientiíficas en una
disciplina científica. Boyle, en particular, es considerado como el
padre fundador de la química debido a su trabajo más importante, «El
Químico Escéptico» donde se hace la diferenciación entre las
pretensiones subjetivas de la alquimia y los descubrimientos científicos
empíricos de la nueva química. Él formuló la ley de Boyle, rechazó los «cuatro elementos» y propuso
una alternativa mecánica de los átomos y las reacciones químicas las
cuales podrían ser objeto de experimentación rigurosa, demostrándose o
siendo rebatidas de manera científica. 25
La teoría del flogisto
(una substancia que, suponían, producía toda combustión) fue propuesta
por el alemán Georg Ernst Stahl en el siglo XVIII y solo fue rebatida
hacia finales de siglo por el químico francés Antoine Lavoisier, quien
dilucido el principio de conservación de la masa y desarrollo un nuevo
sistema de nomenclatura química utilizada para el día de hoy.
Antes del trabajo de Lavoisier, sin embargo, se han hecho muchos
descubrimientos importantes, particularmente en lo que se refiere a lo
relacionado con la naturaleza de "aire", que se descubrió, que se
compone de muchos gases diferentes. El químico escocés Joseph Black (el
primer químico experimental) y el holandés J. B. van Helmont
descubrieron dióxido de carbono, o lo que Black llamaba "aire fijo" en
1754; Henry Cavendish descubre el hidrógeno y dilucida sus propiedades.
Finalmente, Joseph Priestley e, independientemente, Carl Wilhelm Scheele
aislan oxígeno puro.
El científico Inglés John Dalton propone en 1803 la teoría moderna de
los átomos en su libro, «La Teoría Atómica», donde postula que todas
las substancias están compuestas de "átomos" indivisibles de la materia y
que los diferentes átomos tienen diferentes pesos atómicos.
El desarrollo de la teoría electroquímica de combinaciones químicas
se produjo a principios del siglo XIX como el resultado del trabajo de
dos científicos en particular, J. J. Berzelius y Humphry Davy, gracias a
la invención, no hace mucho, de la pila voltaica por Alessandro Volta.
Davy descubrió nueve elementos nuevos, incluyendo los metales alcalinos
mediante la extracción de ellos a partir de sus óxidos con corriente
eléctrica.
El Británico William Prout propuso el ordenar a todos los elementos
por su peso atómico, ya que todos los átomos tenían un peso que era un
múltiplo exacto del peso atómico del hidrógeno. J. A. R.
Newlands ideó una primitiva tabla de los elementos, que luego se
convirtió en la tabla periódica moderna creada por el alemán Julius
Lothar Meyer y el ruso Dmitri Mendeleev en 1860.
Los gases inertes, más tarde llamados gases nobles, fueron descubiertos
por William Ramsay en colaboración con Lord Rayleigh al final del
siglo, llenando por lo tanto la estructura básica de la tabla.
Antoine Lavoisier
La química orgánica ha sido desarrollada por Justus von Liebig y
otros luego de que Friedrich Wohler sintetizara urea, demostrando que
los organismos vivos eran, en teoría, reducibles a terminología química 29
Otros avances cruciales del siglo XIX fueron: la comprensión de los
enlaces de valencia (Edward Frankland,1852) y la aplicación de la
termodinámica a la química (J. W. Gibbs y Svante Arrhenius, 1870).
Estructura Química
Llegado el siglo XX los fundamentos teóricos de la química fueron
finalmente entendidos debido a una serie de descubrimientos que tuvieron
éxito en comprobar la naturaleza de la estructura interna de los
átomos. En 1897, J. J. Thomson, de la Universidad de Cambridge,
descubrió el electrón y poco después el científico francés Becquerel,
así como la pareja de Pierre y Marie Curie investigó el fenómeno de la
radiactividad. En una serie de experimentos de dispersión, Ernest
Rutherford, en la Universidad de Mánchester, descubrió la estructura
interna del átomo y la existencia del protón, clasificando y explicando
los diferentes tipos de radiactividad, y con éxito, transmuta el primer
elemento mediante el bombardeo de nitrógeno con partículas alfa.
El trabajo de Rutheford en la estructura atómica fue mejorado por sus
estudiantes, Niels Bohr y Henry Mosley. La teoría electrónica de los
enlaces químicos y orbitales moleculares fue desarrollado por los
científicos americanos Linus Pauling y Gilbert N. Lewis.
El año 2011 fue declarado por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Química.
Esta iniciativa fue impulsada por la Unión Internacional de Química
Pura y Aplicada, en conjunto con la Organización de las Naciones Unidas
para la Educación, la Ciencia y la Cultura. Se celebró por medio de las
distintas sociedades de químicos, académicos e instituciones de todo el
mundo y se basó en iniciativas individuales para organizar actividades
locales y regionales.
Principios de la química moderna
El actual modelo de la estructura atómica es el modelo mecánico cuántico. La química tradicional comenzó con el estudio de las partículas elementales: átomos, moléculas,
sustancias, metales, cristales y otros agregados de la materia. La
materia podía ser estudiada en estados líquido, de gas o sólidos, ya sea
de manera aislada o en combinación. Las interacciones, reacciones y
transformaciones que se estudian en química son generalmente el
resultado de las interacciones entre átomos, dando lugar a
recordenamientos de los enlaces químicos que los mantienen unidos a
otros átomos. Tales comportamientos son estudiados en un laboratorio de
química.
En el laboratorio de química se suelen utilizar diversos útiles de
cristalería. Sin embargo, la cristalería no es fundamental en la
experimentación química ya que gran cantidad de experimentación
científica (así sea en química aplicada o industrial) se realiza sin
ella.
Una reacción química es la transformación de algunas sustancias en una o más sustancias diferentes.
La base de tal transformación química es la reordenación de los
electrones en los enlaces químicos entre los átomos. Se puede
representar simbólicamente como una ecuación química, que por lo general
implica átomos como la partícula central. El número de átomos a la
izquierda y la derecha en la ecuación para una transformación química
debe ser igual (cuando es desigual, la transformación, por definición,
no es química, sino más bien una reacción nuclear o la desintegración
radiactiva). El tipo de reacciones químicas que una sustancia puede
experimentar y los cambios de energía que pueden acompañarla, son
determinados por ciertas reglas básicas, conocidas como leyes químicas.
Las consideraciones energéticas y de entropía son variables
importantes en casi todos los estudios químicos. Las sustancias químicas
se clasifican en base a su estructura, estado y composiciones químicas.
Estas pueden ser analizadas usando herramientas del análisis químico,
como por ejemplo, la espectroscopia y cromatografía. Los científicos
dedicados a la investigación química se les suele llamar «químicos».
La mayoría de los químicos se especializan en una o más áreas
subdisciplinas. Varios conceptos son esenciales para el estudio de la
química, y algunos de ellos son:
Materia
En química, la materia se define como cualquier cosa que tenga masa
en reposo, volumen y se componga de partículas. Las partículas que
componen la materia también poseen masa en reposo, sin embargo, no todas
las partículas tienen masa en reposo, un ejemplo es el fotón. La
materia puede ser una sustancia química pura o una mezcla de sustancias.
Átomos
El átomo es la unidad básica de la química. Se compone de un núcleo
denso llamado núcleo atómico, el cual es rodeado por un espacio
denominado «nube de electrones». El núcleo se compone de protones
cargados positivamente y neutrones sin carga (ambos denominados
nucleones). La nube de electrones son electrones que giran alrededor del
núcleo cargados negativamente.
En un átomo neutro, los electrones cargados negativamente equilibran
la carga positiva de los protones. El núcleo es denso; La masa de un
nucleón es 1836 veces mayor que la de un electrón, sin embargo, el radio
de un átomo es aproximadamente 10 000 veces mayor que la de su núcleo
El átomo es la entidad más pequeña que se debe considerar para
conservar las propiedades químicas del elemento, tales como la
electronegatividad, el potencial de ionización, los estados de oxidación
preferidos, los números de coordinación y los tipos de enlaces que un
átomo prefiere formar (metálicos, iónicos, covalentes, etc).
Elemento
Un elemento químico es una sustancia pura que se compone de un solo
tipo de átomo, caracterizado por su número particular de protones en los
núcleos de sus átomos, número conocido como «número atómico» y que es
representados por el símbolo Z. El número másico es la suma del número
de protones y neutrones en el núcleo. Aunque todos los núcleos de todos
los átomos que pertenecen a un elemento tengan el mismo número atómico,
no necesariamente deben tener el mismo número másico; átomos de un
elemento que tienen diferentes números de masa se conocen como
isótopos. Por ejemplo, todos los átomos con 6 protones en sus núcleos
son átomos de carbono, pero los átomos de carbono pueden tener números
másicos de 12 o 13.
La presentación estándar de los elementos químicos está en la tabla
periódica, la cual ordena los elementos por número atómico. La tabla
periódica se organiza en grupos (también llamados columnas) y períodos
(o filas). La tabla periódica es útil para identificar tendencias
periódicas.
Compuesto
Un compuesto es una sustancia química pura compuesta de más de un
elemento. Las propiedades de un compuesto tienen poca similitud con las
de sus elementos.
La nomenclatura estándar de los compuestos es fijado por la Unión
Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC). Los compuestos
orgánicos se nombran según el sistema de nomenclatura orgánica. Los compuestos inorgánicos se nombran según el sistema de nomenclatura inorgánica. Además, el Servicio de Resúmenes Químicos ha ideado un método para
nombrar sustancias químicas. En este esquema cada sustancia química es
identificable por un número conocido como número de registro CAS.
