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Química

Proceso de

admisión

ACADÉMICA GESTIÓN 20 20

ACTUALIZACIÓN:

Dra. Maria del Carmen Sandi Serrudo

Lic. Pamela Durán Toledo

Este libro es una reimpresión de la gestión

2014 La Paz, Septiembre de 201 9

• ACADÉMICA GESTIÓN
  • 1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA. ……………………………………………………….. ÍNDICE
  • 2. LA MATERIA, EL ÁTOMO Y SUS PROPIEDADES. ………………………………….
  • 3. ENLACES QUÍMICOS. ……………………………………………………………………
  • 4. REACCIONES QUÍMICAS. ……………………………………………………………….
  • 5. NOMENCLATURA Y NOTACIÓN EN QUÍMICA INORGÁNICA. ……………………
  • 6. SOLUCIONES. ……………………………………………………………………………..
  • 7. REACCIONES ÁCIDO – BASE. …………………………………………………………
  • 8. QUÍMICA ORGÁNICA I. ………………………………………………………………….
  • 9. QUÍMICA ORGÁNICA II. ………………………………………………………………...
  • 10. MACROMOLÉCULAS. …………………………………………………………………..

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1.1 INTRODUCCIÓN.-

La química es una ciencia dinámica y moderna, sufre un proceso evolutivo a través del tiempo y a la actualidad continua evolucionando, es así que en los albores de la humanidad, nuestros ancestros sobrevivieron debido a los conocimientos adquiridos por el método de ensayo y error de las observaciones diarias en su continuo vivir.

El campo de estudio de la química ha evolucionado tan vertiginosamente en los últimos tiempos que resulta difícil enumerar todas las posibles aplicaciones de la misma. Solo debemos observar a nuestro alrededor para comprobar que casi todos los objetos que usamos han tenido un proceso de transformación, en el cual directa o indirectamente ha contribuido la química. La causa del gran desarrollo de la química es precisamente la transformación de la sociedad, que demanda mejores y nuevos productos para mejorar la calidad de vida.

La palabra química proviene del vocablo árabe “kēme” (ياء يم ك), que significa “tierra”; y se define como: “la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia” así como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.

La química ha llegado a ser una ciencia interdisciplinaria, muchas de las modernas incógnitas de la medicina y la biología están siendo exploradas a nivel de átomos y moléculas, que son los bloques fundamentales de la materia y en lo que basa su estudio la química. Los beneficios del reciente desarrollo de la investigación médica en relación a la terapia del cáncer, los trasplantes quirúrgicos, la incorporación de nuevas técnicas moleculares para el diagnóstico (Reacción en Cadena de la Polimerasa) y el desarrollo de nuevas drogas, están al alcance de mucha gente. En contraste con ello están los problemas de la contaminación química del aire, del agua y del suelo; los problemas médicos y genéticos del abuso de las drogas y el peligro potencial de los aditivos y conservantes.

1.2 ORÍGENES DE LA QUÍMICA.-

Los primeros hombres que empezaron a utilizar instrumentos se servían de la naturaleza tal como la encontraban. El fémur de un animal de buen tamaño o la rama arrancada de un árbol eran magníficas garrotas y las piedras utilizadas como los mejores proyectiles. Desde entonces la naturaleza de las cosas cambiaba, por

1. INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA

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1.3 ORÍGENES DE LA QUÍMICA MODERNA.-

La Química moderna tiene sus orígenes a mediados del siglo XVIII esto fue posible gracias a la gran cantidad de saberes empíricos acumulados previamente (construcción de aparatos como la balanza, el desarrollo de técnicas experimentales, el estudio del comportamiento químico de sustancias, etc.). Todo este conocimiento previo provenía de las contribuciones realizadas por la Alquimia, la Metalurgia y la Medicina y la Farmacia, que constituyen los tres pilares fundamentales de la química moderna

El interés de los alquimistas se centraba en la transmutación de los metales en plata y oro y en encontrar el "elixir de la vida". Por su parte, los metalúrgicos, a diferencia de los alquimistas, eran personas incultas preocupadas fundamentalmente por el desarrollo de las artes prácticas relacionadas con el tratamiento de los metales y de sus minerales. Eran artesanos interesados en el desarrollo de unas técnicas, sin que ello supusiera la existencia de ningún marco filosófico o conceptual que guiase su trabajo. Finalmente, el principal interés de los médicos y de los boticarios se centraba en el tratamiento de la enfermedad. Este objetivo otorgaba a la medicina una dimensión más amplia que la simple búsqueda de un elixir difícil de alcanzar.

1.1.1. Alquimia

El estudio oculto de la naturaleza practicado en el siglo I.d.C. por los griegos que habitaban en el norte de Egipto, fue conocido después con el nombre árabe de alquimia.

Su práctica se dispersó hasta el Cercano Oriente y Europa, donde dominó el pensamiento occidental acerca de la materia hasta el siglo XVI. La práctica de los alquimistas era una extraña mezcla de magia y realidad, fueron influenciados por la

Laboratorio alquímico

Pilares de la Química Moderna

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idea griega de que la materia tiende naturalmente a la perfección y buscaron transformar sustancias de poco valor en sustancias preciosas. Fundamentaban su ciencia en que el universo estaba compuesto de cuatro elementos principales: tierra, aire, fuego y agua, y con ellos preparaban un quinto elemento que contenía la potencia de los cuatro en su máxima exaltación y equilibrio. Los alquimistas que estudiaban esta nueva ciencia buscaban, sobre todo, un material que facilitara la mezcla de mercurio y azufre para finalmente extraer el ambicionado oro. Imaginaban la mezcla como un polvo seco, procedente de alguna piedra especial, de ahí que lo llamaran “Piedra filosofal”. También buscaban una sustancia que denominaban el elixir de la vida, con la cual podrían curar las enfermedades e, incluso, alcanzar la inmortalidad. El máximo representante de la cultura helenística es Zósimo (siglo IV), quien afirmaba poseer lo que llegaría a ser el elixir o piedra filosofal y la "tintura" capaz de fabricar oro. Él y otros alquimistas inventaron los métodos químicos de destilación, sublimación, disolución, filtración, calcinación, extracción, entre otros, pero sobre todo, contribuyeron a difundir la aceptación de la observación y la experimentación.

La mala imagen que la alquimia ha podido tener se debe, entre otros factores, a la gran cantidad de charlatanes y tramposos que la nutrieron. Sin embargo, la falta de un progreso significativo de la alquimia no se debió tanto a los fraudes sino al marco teórico que la sustentaba. Hasta que no se abandonó la concepción aristotélica de la materia no pudo desarrollarse la química moderna.

1.1.2. Medicina y la Farmacia

Los orígenes de la Química moderna relacionados con la Medicina se conocen con el nombre de iatroquímica. La teoría de los cuatro humores o humorismo, fue una teoría acerca del cuerpo humano adoptada por los filósofos y físicos de las antiguas civilizaciones griega y romana.

El objeto de estudio de la iatroquímica fue encontrar explicaciones químicas a los procesos patológicos y fisiológicos del cuerpo humano y proporcionar el tratamiento para la cura de enfermedades mediante el empleo de sustancias químicas. Los iatroquímicos creían que la fisiología dependía del balance de los fluidos corporales. Desde Hipócrates, la teoría humoral fue el punto de vista más común del funcionamiento del cuerpo humano entre los «físicos»

Teoría Humoral de Hipócrates

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mostró una gran consistencia en el planteamiento de los experimentos de laboratorio, junto a su asistente Robert Hooke (1.635 - 1.703) se trató de dar una explicación racional al proceso de combustión.

Son los químicos alemanes J. J. Becher (1635-1734) y G. E. Stahl (1660-1734) que dan una teoría explicativa y globalizadora de todas las observaciones sobre los procesos de combustión, denominándola “Teoría del Flogisto”; dicha teoría suponía que las sustancias combustibles contienen un "principio inflamable" denominado flogisto (del griego, llama) y la combustión es concebida como el proceso de liberación a la atmósfera del flogisto contenido en la sustancia, dando lugar a un residuo (denominado ceniza o cal, en el caso de los metales), esta idea se mantuvo sin cambios durante los siguientes 100 años.

1.5 LA QUÍMICA EN EL SIGLO XVIII

Un joven químico francés Antoine Lavoisier (1743- 1794), quien experimentó con la combustión, midiendo con balanzas la masa de las sustancias antes y después de arder, calentó la cal de mercurio (óxido mercúrico) descomponiéndolo en mercurio y un gas (oxígeno), cuyas masas combinadas igualaban la masa inicial de la cal, el experimento contrario calentar el mercurio con el gas, reformo la cal de mercurio y otra vez la masa total permaneció constante. Con base en sus observaciones, Lavoisier rechazó la teoría del flogisto y planteó una sorprendente explicación, que actualmente se conoce como el principio de conservación de la materia, de ahí que se propone que la ciencia química empezó con Lavoisier padre de la química.

1.6 LA QUÍMICA EN EL SIGLO XIX

En 1804 el inglés John Dalton (1766-1844) formuló su hipótesis atómica, fundamentada en la identificación de los elementos químicos como distintos tipos de partículas indestructibles y con características propias (volumen y masa). En 1811 Amadeo Avogadro (1778-

1856. y en 1814 A. M. Ampére (1775-1836) enunciaron la hipótesis según la cual: "en condiciones iguales de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases distintos contienen el mismo número de moléculas".

Antoine Lavoisier

John Dalton

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Con dicha hipótesis se consolidó el concepto moderno de molécula, dando origen a la teoría atómico-molecular, que explica de forma clara y sencilla todas las leyes experimentales e introduce el concepto de número de Avogadro (NA, actualmente denominado constante de Avogadro).

1.7 LA QUÍMICA EN EL SIGLO XX

En 1909, Robert Andrews Millikan mide la carga de electrones individuales con una precisión sin precedentes a través del experimento de la gota de aceite, con el cual confirma que todos los electrones tienen la misma carga y la misma masa.

En 1913, Niels Bohr introduce conceptos de la mecánica cuántica a la estructura atómica, proponiendo lo que hoy en día se conoce como el modelo atómico de Bohr, donde los electrones sólo existen en orbitales estrictamente definidos.

En el resto del siglo XX existieron diversos avances de la química en sus diferentes ramas: Química inorgánica, Química orgánica, Bioquímica, Química Física, Química Industrial, Química Analítica y múltiples subdisciplinas.

1.8 AVANCES EN BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR

Los avances actuales en el área de bioquímica y biología molecular se centran en descubrimientos celulares, moleculares y de fisiología, además de avances en nanotecnología. Es a partir de la presentación del genoma humano que fue finalizado en abril del 2003, que logró identificar y cartografiar los aproximadamente 20.000 - 25.000 genes del genoma humano desde un punto de vista físico y funcional.

El 9 de enero del 2012 los investigadores de California, lograron descubrir la estructura molecular de centrosomas en gusanos planos, lo que permitiría identificar y esclarecer sus múltiples funciones durante la división celular. Ese mismo día, científicos de la Universidad de Washington descubrieron una enzima clave responsable de la generación de la membrana celular en el Plasmodium falciparum , principal responsable de la malaria, dicha proteína es ideal como blanco de ataque porque no se presenta en la raza humana. En el mismo año el 26 de enero, científicos de la Universidad de Baylor, propusieron un nuevo modelo de membrana celular para explicar la fusión de la misma, el 12 de febrero, científicos de la Universidad de Nottingham informan sobre siete proteínas en líquido espinal que servirían como marcadores de la Enfermedad de Alzheimer en sus estadios iniciales, el 20 de febrero, científicos de Instituto de Ingeniería Biológica en la

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1895, y que entregan a personajes notables cuyas investigaciones generan impacto en la química, la física, la literatura, la paz y la fisiología o medicina.

En el 2011 Daniel Shechtman fue premiado con el Premio Nóbel de Química por el descubrimiento de los cuasicristales. El 2012 fue el estadounidense Brian Kolvilka quien recibió el Premio Nobel de Química por sus estudios sobre los receptores acoplados a la “proteína G”.

Respecto al Premio Nobel de Medicina, el 2011 fue otorgado a Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann y Ralph M por sus aportaciones en el ámbito de la inmunolog{ia y las vacunas. Para el año 2012 este premio fue otorgado al Ingles Sir John B. Gurdon y al japonés Shinya Yamanaka por descubrir la forma de transformar células totipotentes en cualquier tipo de tejidos.

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La materia es todo aquello que tiene masa y volumen (es decir todo aquello que ocupa un lugar en el espacio), por lo tanto todo aquello que existe en el universo está compuesto por materia. La masa y el volumen son las propiedades fundamentales de la materia.

2.1 FENÓMENO. Es toda transformación que sufre la materia, esta transformación se describe como la diferencia encontrada al observar un objeto en 2 condiciones diferentes.

a) FENÓMENO FÍSICO : Es transformación es de forma transitoria (pasajera), es decir, temporal que sólo dura mientras actúe la energía que la provoque. Ej. Vaporización, congelación, dilatación.

b) FENÓMENO QUÍMICO : Es la transformación que sufre la materia en su naturaleza interna, dando origen a otra sustancia de propiedades químicas distintas. Ej. Combustión, digestión, fermentación, cualquier reacción química.

2.2 · ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA. Es la forma en que nuestros sentidos perciben a la materia, y están determinados por las fuerzas moleculares de cohesión y repulsión, los principales estados de agregación de la materia son: sólido, líquido, gaseoso y coloidal.

2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS ESTADOS DE AGREGACION DE LA MATERIA Solido:

 Volumen: Propio.  Forma : Definida, fija.  Relación de distancia intermolecular: Pequeña, muy unidas por la fuerza de cohesión.  La fuerza de atracción: Alta, es mayor que la fuerza de repulsión.

Liquido:

 Volumen: Propio.  Forma: Del recipiente que lo contiene.  Relación de distancia intermolecular: Mediana, pierde rigidez, las moléculas se transportan libres pero cerca.  La fuerza de atracción: Intermedia, es igual que la fuerza de repulsión.

Gaseoso:

 Volumen: Indefinido, adopta el volumen del recipiente que lo contiene.  Forma: Indefinido, adopta la forma del recipiente que lo contiene.

2. LA MATERIA, EL ÁTOMO Y SUS PROPIEDADES

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a) FUSIÓN: es el paso de un estado líquido al sólido por acción del calor. El punto de fusión es la temperatura a la cual se produce este fenómeno. Eje. Li 180°C, Na 97,5° Ca 850°C.

b) VAPORIZACIÓN: es el paso de un estado líquido al estado gaseoso por acción del calor, se distinguen tres fenómenos, (i) Evaporización: es una vaporización lenta que se produce cuando las moléculas escapan sólo de la superficie libre del líquido, ocurre cuando la presión del vapor es igual a la presión atmosférica; (ii) Ebullición: es violenta y ruidosa, se produce en toda la masa del líquido, el punto de ebullición es la temperatura fija y constante que favorece este cambio, se considera que el punto de ebullición es normal cuando la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a una atmósfera de presión; (iii) Volatilización: es una vaporización violenta ej:Eter Bencina.

c) SUBLIMACION: es el paso de un cuerpo del estado sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Eje.: sublimación del alcanfor, naftalina y yodo.

d) CONDENSACION O LICUACION: es el paso de un cuerpo del estado gaseoso al estado líquido por disminución de la temperatura y fuerte presión, así se obtiene aire líquido, oxígeno líquido e hidrógeno. A diferencia la condensación es el paso de un vapor a líquido.

e) SOLIDIFICACION: es el paso de un cuerpo del estado líquido al sólido, por disminución de la temperatura. Eje.: cubitos de hielo.

f) DEPOSICIÓN (SUBLIMACIÓN INVERSA): es el paso de un cuerpo gaseoso al estado sólido, esto se debe a presiones superiores y temperaturas inferiores a las que se produce dicha transición, es evidente en la formación de la nieve y la escarcha.

INICIO FIN FENOMENO

Solido a Liquido: Fusión

Liquido A Gas: Vaporización

Solido A Gas: Sublimación

Gas A Liquido: Condensación o licuación

Liquido A Sólido: Solidificación

Gas A Sólido: Deposición (Sublimación Inversa)

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2.4. CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA POR SU COMPOSICIÓN:

Según su composición la materia se clasifica en sustancias y mezclas:

2.4.1. SUSTANCIA: Es una porción de materia que está constituida por un solo tipo de partículas tiene composición fija y propiedades que la distinguen, también se denominan sustancia pura, existe 2 tipos de sustancia: elemento y compuesto.

a) ELEMENTO : También denominada sustancia elemental, es la sustancia más simple que no se pueden descomponer y tampoco obtener otra más sencilla. Ejm. Sodio, Potasio, Azufre.

b) COMPUESTO: Es la sustancia que por procesos adecuados se puede descomponer en dos a más elementos que son sus componentes. Eje. Agua, ácido sulfúrico, ácido nítrico, etc.

2.4.2 MEZCLA. Es un sistema material constituido por la agregación de dos o más sustancias en la que no existe acción química alguna, los constituyentes conservan sus propiedades características, se reúnen en proporciones arbitrarias y pueden separarse por simples métodos físicos o mecánicos. Ejm. una de taza de Té, agua más alcohol.

a) MEZCLA HOMOGÉNEA: Si sus componentes no pueden individualizarse a simple vista.

b) MEZCLA HETEROGÉNEA: Si sus componentes pueden individualizarse simple vista.

2.5 COMBINACIÓN. Fenómeno por el cual 2 o más sustancias diferentes intervienen en una transformación intima (reacción química), la proporción de masas es constante, en un combinación las propiedades de las sustancias originales desaparecen y se observan propiedades en productos que ninguna de ellas poseía.

2.6 PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LA MATERIA. Son aquellas propiedades que nos permiten identificar o diferenciar a una sustancia de otra.

2.7.1 POR SU NATURALEZA.

a) PROPIEDADES FÍSICAS: Las propiedades físicas son aquellas que se pueden medir o determinar sin que se modifique la composición química de la sustancia, por ejemplo: el olor, el color, estado físico, punto de ebullición, punto de

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En 1808, el inglés John Dalton propone su teoría atómica, basada en los siguientes postulados:

1. La materia está constituida de pequeñas partículas denominadas “átomos”.
2. Los átomos de un elemento dado son idénticos en masa, tamaño y propiedades químicas.
3. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de otro elemento.
4. Los átomos son esféricos, compactos, indivisibles e indestructibles.
5. En una reacción química los átomos se separan, se combinan o se reordenan. Nunca supone la creación o destrucción de los mismos. Un error de Dalton, ya que el átomo si se puede destruir (Bomba atómica).
6. Los átomos de elementos diferentes se unen en relaciones numéricas simples para formar átomos compuestos (término que usó para referirse a los que hoy denominamos molécula).

2.8 MODELOS ATÓMICOS:

a) MODELO ATÓMICO DE THOMPSON.

Para este autor el átomo era una esfera en cuyo interior se hallaban partículas positivas y negativas en completo equilibrio. No pudo precisar el lugar exacto donde se hallaba dichas partículas, simplemente decía que las partículas se hallaban como “las pasas en un budín”.

b) MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD.

Rutherford, descubrió el núcleo atómico al bombardear una laminilla de oro con partículas de rayos alfa ( 2 He^4 ). Observó que muchos de esos rayos sufrían desviación, algunos pasaban lejos del núcleo, otros cerca con pequeña desviación y otros rebotaban contra el núcleo. Por lo que consideró que el átomo presentaba una parte central positiva llamada núcleo; alrededor giran los electrones formando órbitas circulares. Además planteó que todo átomo es eléctricamente neutro.

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c) MODELO ATÓMICO DE BOHR.

En 1913, el científico danés Niels Bohr basado en los descubrimientos de Rutherford y en la teoría cuántica de Max Planck, dio respuesta a las supuestas fallas del modelo de Rutherford al proponer lo siguiente:

1. Que en efecto, el átomo tiene un núcleo central diminuto cargado positivamente.
2. Que los electrones no pueden estar distribuidos al azar, sino que giran alrededor del núcleo ocupando niveles discretos de energía (órbitas circulares).
3. Los electrones pueden alcanzar niveles de energía más altos por la absorción de cantidades fijas de energía (paquetes o cuantos de energía).
4. Los electrones que caen a niveles más bajos de energía, emiten cantidades fijas de energía (fotones o cuantos de luz).

Con base en estos postulados y a los estudios de los fenómenos espectrales, Bohr logro proponer un modelo planetario para el átomo de hidrogeno.

2.9 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO. EI átomo es la célula de un elemento y presenta una estructura interna que básicamente está constituida por el núcleo que es la parte central del átomo, representa alrededor del 99,9% de la masa del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. La corteza es la parte exterior del átomo, en ella se encuentran los electrones, con carga negativa, están ordenados en distintos niveles y giran