Química
Esquema de un átomo de
helio.
Química (palabra que podría provenir del
árabe kēme (kem, كيمياء), que significa
'tierra') 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.
1 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.
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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.
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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.
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Etimología
La palabra química podría provenir de la palabra
Alquimia,
un antiguo conjunto de prácticas que contenía distintos elementos de la
actual ciencia en paralelo con otras muy variadas, como la astronomía,
la metalurgia, la medicina o incluso la filosofía.
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La Alquimia, actividad practicada alrededor del 330 D.C, estudiaba la
composición del agua, la naturaleza del movimiento, del crecimiento, del
ambiente, la conexión espiritual entre los cuerpos y los espíritus
(Zosimos).
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Un alquimista solía ser llamado «chemist» (del inglés, «químico»)en
lenguaje cotidiano y, más tarde, se agregaría el sufijo «-ry» para
describir así el arte que profesaba el "chemist", «the chemistry» (en
español, «la química»).
Podemos también seguir la raíz etimológica de la palabra Alquimia. Esta posiblemente derivo de la palabra
Persa
kīmīa (كيميا), que a su vez, derivaría en el árabe, al-kīmīā
(الکیمیاء). Luego la palabra nos sería legada desde los griegos por
medio del significante χημία or χημεία.
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Existe también la teoría de que la palabra podría tener orígenes
egipcios. Muchos creen que la palabra al-kīmīā es un derivado de χημία,
que resulta derivado de la palabra «Chemi» o «Kimi», un antiguo nombre
dado por los nativos del Nilo a Egipto.
Definición
La definición de química ha cambiado a través del tiempo a medida que
nuevos descubrimientos se han añadido a la funcionalidad de esta
ciencia. El término «química», a vista del reconocido científico
Robert Boyle, en 1661, se trataba del área que estudiaba los principios de los cuerpos mezclados.
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En 1663, química se definía como un arte científico por el cual se
aprende a disolver cuerpos, obtener de ellos las diferentes substancias
de su composición, y como unirlos después para alcanzar un nivel mayor
de perfección. Esto según el químico Christopher Glaser.
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La definición de 1730 para la palabra química, usada por Georg Ernst
Stahl, era el arte de entender el funcionamiento de las mezclas,
compuestos, o cuerpos hasta sus principios básicos; y luego volver a
componer esos cuerpos a partir de esos mismos principios.
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En 1837, Jean-Baptiste Dumas, consideró la palabra química para
referirse a la ciencia que se preocupaba de la leyes y efectos de las
fuerzas moleculares.
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Esta definición luego evolucionaría hasta que, en 1947, se le denominó
la ciencia que se preocupaba de las substancias: su estructura, sus
propiedades y las reacciones que las transforman en otras substancias
(caracterización dada por Linus Pauling).
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Más recientemente, en 1988, la definición de química fue ampliada
para ser «el estudio de la materia y los cambios que implica», esto, en
palabras del profesor Raymond Chang.
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Introducción
La ubicuidad de la química en las ciencias naturales hace que sea considerada una de las
ciencias básicas. La química es de gran importancia en muchos campos del conocimiento, como la
ciencia de materiales, la
biología, la
farmacia, la
medicina, la
geología, la
ingeniería y la
astronomía, entre otros.
Los procesos naturales estudiados por la química involucran partículas fundamentales (
electrones,
protones y
neutrones), partículas compuestas (núcleos atómicos, átomos y moléculas) o estructuras microscópicas como cristales y superficies.
Desde el punto de vista microscópico, las partículas involucradas en
una reacción química pueden considerarse un sistema cerrado que
intercambia energía con su entorno. En procesos
exotérmicos, el sistema libera energía a su entorno, mientras que un proceso
endotérmico
solamente puede ocurrir cuando el entorno aporta energía al sistema que
reacciona. En la mayor parte de las reacciones químicas hay flujo de
energía entre el sistema y su campo de influencia, por lo cual puede
extenderse la definición de reacción química e involucrar la
energía cinética (calor) como un reactivo o producto.
Aunque hay una gran variedad de ramas de la química, las principales divisiones son:
- Bioquímica,
constituye un pilar fundamental de la biotecnología, y se ha
consolidado como una disciplina esencial para abordar los grandes
problemas y enfermedades actuales y del futuro, tales como el cambio
climático, la escasez de recursos agroalimentarios ante el aumento de
población mundial, el agotamiento de las reservas de combustibles
fósiles, la aparición de nuevas formas de alergias, el aumento
del cáncer, las enfermedades genéticas, la obesidad, etc.
- Fisicoquímica,
establece y desarrolla los principios físicos fundamentales detrás de
las propiedades y el comportamiento de los sistemas químicos.14 15
- Química analítica,
(del griego ἀναλύω) es la rama de la química que tiene como finalidad
el estudio de la composición química de un material o muestra, mediante
diferentes métodos de laboratorio. Se divide en química analítica
cuantitativa y química analítica cualitativa.
- Química inorgánica,
se encarga del estudio integrado de la formación, composición,
estructura y reacciones químicas de los elementos y compuestos
inorgánicos (por ejemplo, ácido sulfúrico o carbonato cálcico); es
decir, los que no poseen enlaces carbono-hidrógeno, porque éstos
pertenecen al campo de la química orgánica. Dicha separación no es
siempre clara, como por ejemplo en la química organometálica que es una
superposición de ambas.
- Química orgánica o química del carbono, es
la rama de la química que estudia una clase numerosa de moléculas que
contienen carbono formando enlaces
covalentes carbono-carbono o carbono-hidrógeno y otros heteroátomos,
también conocidos como compuestos orgánicos. Friedrich Wöhler yArchibald
Scott Couper son conocidos como los padres de la química orgánica.
La gran importancia de los sistemas biológicos hace que en la
actualidad gran parte del trabajo en química sea de naturaleza
bioquímica. Entre los problemas más interesantes se encuentran, por
ejemplo, el estudio del
plegamiento de proteínas y la relación entre secuencia, estructura y función de
proteínas.
Si hay una
partícula importante y representativa en la química, es el
electrón.
Uno de los mayores logros de la química es haber llegado al
entendimiento de la relación entre reactividad química y distribución
electrónica de átomos, moléculas o sólidos. Los químicos han tomado los
principios de la
mecánica cuántica
y sus soluciones fundamentales para sistemas de pocos electrones y han
hecho aproximaciones matemáticas para sistemas más complejos. La idea de
orbital atómico y molecular es una forma sistemática en la cual la
formación de enlaces es comprensible y es la sofisticación de los
modelos iniciales de puntos de Lewis. La naturaleza cuántica del
electrón hace que la formación de enlaces sea entendible físicamente y
no se recurra a creencias como las que los químicos utilizaron antes de
la aparición de la mecánica cuántica. Aún así, se obtuvo gran
entendimiento a partir de la idea de puntos de Lewis.
Historia
Las primeras civilizaciones, como los egipcios
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y 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 esta 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)
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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.
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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.
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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.
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Química como ciencia
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.
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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.
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La
teoría del flogisto
(una substancia que, suponían, producía toda combustión) fue propuesta
por el alemán Georg Ernst Stahl en el siglo XVIII y sólo 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.
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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.
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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.
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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.
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
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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 Manchester, 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.
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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 iniciativa