Química

Solucións e substancias en botellas de reactivos, incluíndo acedo nítrico e hidróxido de amonio, iluminados de diferentes cores

Táboa periódica dos elementos químicos actualizada no 2016 pola IUPAC.

A química é a ciencia natural que estuda a composición, estrutura e propiedades da materia xa sexa en forma de elementos, especies, compostos, mesturas ou outras substancias, así como os cambios que estas experimentan durante as reaccións e a súa relación coa enerxía química. Linus Pauling definiuna como a ciencia que estuda as substancias, a súa estrutura (tipos e formas de acomodo dos átomos), as súas propiedades e as reaccións que as transforman noutras substancias en referencia co tempo. A química, a través dunha das súas ramas coñecida como química supramolecular, ocúpase principalmente das agrupacións supratómicas, como son os gases, as moléculas, os cristais e os metais, estudando a súa composición, propiedades estatísticas, transformacións e reaccións, aínda que a química xeral tamén inclúe a comprensión das propiedades e interaccións da materia a escala atómica.

No ámbito da súa materia, a química ocupa unha posición intermedia entre a física e a bioloxía. Ás veces chámase ciencia central porque proporciona unha base para comprender tanto as disciplinas científicas básicas como as aplicadas nun nivel fundamental, relacionándose coa física por medio da fisicoquímica, a bioloxía mediante a bioquímica, a astronomía a través da astroquímica, a xeoloxía por vía da xeoquímica, entre outras. Por exemplo, a química explica aspectos do crecemento das plantas (botánica), a formación de rochas ígneas (xeoloxía), como se forma o ozono atmosférico e como se degradan os contaminantes ambientais (ecoloxía), as propiedades do solo na Lúa (cosmoquímica), como funcionan os medicamentos (farmacoloxía) e como recoller probas de ADN nunha escena do crime (forense). A maioría dos procesos químicos pódense estudar directamente no laboratorio, usando unha serie de técnicas a miúdo ben establecidas, tanto de manipulación de materiais como de comprensión dos procesos subxacentes. Unha aproximación alternativa é a proporcionada polas técnicas de modelaxe molecular, que extraen conclusións de modelos computacionais.

A química moderna desenvolveuse a partir da alquimia, unha práctica protocientífica de carácter esotérico, pero tamén experimental, que combinaba elementos de química, física, bioloxía, metalurxia, farmacéutica, entre outras disciplinas. Esta fase termina coa revolución química, co descubrimento dos gases por Robert Boyle, a lei de conservación da materia e a teoría da combustión por osíxeno postuladas polo científico francés Antoine Lavoisier. A sistematización fíxose patente coa creación da táboa periódica dos elementos e a introdución da teoría atómica, cando os investigadores desenvolveron unha comprensión fundamental dos estados da materia, os ións, as ligazóns químicas e as reaccións químicas. Desde a primeira metade do século XIX, o desenvolvemento da química comporta a aparición e expansión dunha industria química de gran relevancia na economía e na calidade de vida actuais.

As disciplinas da química agrúpanse segundo a clase de materia baixo estudo ou o tipo de estudo realizado. Entre estas atópanse a química inorgánica, que estuda a materia inorgánica; a química orgánica, que estuda a materia orgánica; a bioquímica, que estuda as substancias existentes en organismos biolóxicos; a fisicoquímica que comprende os aspectos estruturais e enerxéticos de sistemas químicos a escalas macroscópica, molecular e atómica, e a química analítica, que analiza mostras de materia e trata de entender a súa composición e estrutura mediante diversos estudos e reaccións.

Os científicos dedicados ao seu estudo son os químicos e as químicas.

Etimoloxía

A palabra química procede da palabra «alquimia», o nome dun antigo conxunto de prácticas protocientíficas que abarcaba diversos elementos da actual ciencia, ademais doutras disciplinas moi variadas como a metalurxia, a astronomía, a filosofía, o misticismo ou a medicina. A alquimia, practicada polo menos desde ao redor do ano 330, ademais de buscar a fabricación de ouro, estudaba a composición das augas, a natureza do movemento, do crecemento, da formación dos corpos e a súa descomposición, a conexión espiritual entre os corpos e os espíritos. Un alquimista adoitaba ser chamado en linguaxe cotiá «químico», e posteriormente (oficialmente, a partir da publicación, en 1661, do libro The Sceptical Chymist (O químico escéptico), do químico irlandés Robert Boyle) denominaríase química á arte que practicaba.

Á súa vez, alquimia deriva da palabra árabe ao-kīmīā (الکیمیاء). Na súa orixe, o termo foi un préstamo tomado do grego, das palabras χημία ou χημεία (khemia e khemeia, respectivamente). A primeira podería ter orixe exipcio. Moitos cren que al-kīmīā deriva de χημία, que á súa vez deriva da palabra Kemet ou Kimi ou Kham, que é o nome antigo de Exipto en exipcio. Segundo esa hipótese, khemeia podería ser "a arte exipcia". A outra alternativa é que al-kīmīā derivase de χημεία, que significa «fusionar». Unha terceira hipótese, con máis adeptos na actualidade, di que khemeia deriva do grego khumos, o mollo dunha planta, e que viría significar "a arte de extraer mollos", e neste caso "mollo" podería ser un metal, e polo tanto podería ser "a arte da metalurxia".

Principios modernos

Laboratorio, Instituto de Bioquímica da Universidade de Colonia en Alemaña.

O actual modelo da estrutura atómica é o modelo mecánico cuántico. A química tradicional comezou co estudo das partículas elementais: átomos, moléculas, substancias, metais, cristais e outros agregados da materia. A materia podía ser estudada en estados líquido, gas, sólido e plasmatico, xa sexa de maneira illada ou en combinación. As interaccións, reaccións e transformacións que se estudan en química son xeralmente o resultado das interaccións entre átomos, dando lugar a reordenacións das ligazóns químicas que os manteñen unidos a outros átomos. Tales comportamentos son estudados nos laboratorio de química.

No laboratorio de química adóitanse utilizar diversos materiais de vidro de laboratorio. Con todo, o vidro non é fundamental na experimentación química xa que gran cantidade da experimentación científica (así sexa en química aplicada ou industrial) realízase sen ela.

Unha reacción química é a transformación dalgunhas substancias nunha ou máis substancias diferentes. A base de tal transformación química é a reordenación dos electróns nas ligazóns químicas entre os átomos. Pódese representar simbolicamente como unha ecuación química, que polo xeral implica átomos como a partícula central. O número de átomos á esquerda e a dereita na ecuación para unha transformación química debe ser igual (cando é desigual, a transformación, por definición, non é química, senón máis ben unha reacción nuclear ou a desintegración radioactiva). O tipo de reaccións químicas que unha substancia pode experimentar e os cambios de enerxía que poden acompañala, son determinados por certas regras básicas, coñecidas como leis químicas.

As consideracións enerxéticas e de entropía son variables importantes en case todos os estudos químicos. As substancias químicas clasifícanse sobre a base da súa estrutura, estado e composicións químicas. Estas poden ser analizadas usando ferramentas da análise química, por exemplo, a espectroscopia e cromatografía. Os científicos dedicados á investigación química adóitaselles chamar «químicos». A maioría dos químicos especialízanse nunha ou máis áreas ou subdisciplinas. Varios conceptos son esenciais para o estudo da química, e algúns deles son:

Materia

En química, materia é todo o que ocupa espazo e ten masa, forma, peso e volume, polo tanto, pódese observar e medir. A materia é a substancia que forma os corpos físicos, compostos por partículas. As partículas que compoñen a materia tamén posúen masa en repouso, con todo, non todas as partículas teñen masa en repouso, un exemplo é o fotón. A materia pode ser unha substancia química pura ou unha mestura de substancias.

Átomo

Artigo principal: Átomo.

Un diagrama dun átomo baseado no modelo de Bohr

O átomo é a unidade básica da química. Consta dun núcleo denso chamado núcleo atómico rodeado por un espazo ocupado por unha nube de electróns. O núcleo está formado por protóns cargados positivamente e neutróns sen carga (en conxunto chamados nucleóns), mentres que a nube electrón está formada por electróns cargados negativamente que orbitan o núcleo. Nun átomo neutro, os electróns cargados negativamente equilibran a carga positiva dos protóns. O núcleo é denso; a masa dun nucleón é aproximadamente 1.836 veces a dun electrón, aínda que o radio dun átomo é unhas 10.000 veces o do seu núcleo.

O átomo tamén é a entidade máis pequena que se debe considerar para conservar as propiedades químicas do elemento, tales como a electronegatividad, o potencial de ionización, os estados de oxidación preferidos, os números de coordinación e os tipos de ligazóns que un átomo prefire formar (metálicos, iónicos, covalentes, etc.).

Elemento químico

Artigo principal: Elemento químico.

Un elemento químico é unha substancia pura que se compón dun só tipo de átomo, caracterizado polo seu número particular de protóns nos núcleos dos seus átomos, número coñecido como «número atómico» e que é representado polo símbolo Z. O número másico é a suma do número de protóns e neutróns no núcleo. Aínda que todos os núcleos de todos os átomos que pertencen a un elemento teñan o mesmo número atómico, non necesariamente deben ter o mesmo número másico; átomos dun elemento que teñen diferentes números de masa coñécense como isótopos. Por exemplo, todos os átomos con 6 protóns nos seus núcleos son átomos de carbono, pero os átomos de carbono poden ter números másicos de 12 ou 13.

Desde o momento en que se descubriron os primeiros elementos tentouse ordenalos ou clasificalos para poder estudar as súas propiedades ou características.

A presentación estándar dos elementos químicos está na táboa periódica, a cal ordena os elementos por número atómico. A táboa periódica organízase en grupos (tamén chamados columnas) e períodos (ou filas). A táboa periódica é útil para identificar tendencias periódicas.

Composto químico

Dióxido de carbono (CO₂), un exemplo de composto químico.

Artigo principal: Composto químico.

Un composto químico é unha substancia química pura composta de máis dun elemento. As propiedades dun composto teñen pouca similitude coas dos seus elementos. A nomenclatura estándar dos compostos é fixada pola Unión Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC). Os compostos orgánicos noméanse segundo o sistema de nomenclatura orgánica. Os compostos inorgánicos noméanse segundo o sistema de nomenclatura inorgánica. Ademais, o Chemical Abstracts Service ideou un método para nomear substancias químicas. Neste esquema cada substancia química é identificable por un número coñecido como número de rexistro CAS.

Molécula

Artigo principal: Molécula.

Unha representación da molécula de cafeína (C₈H₁₀N₄O₂).

A molécula é a parte máis pequena dunha substancia química que conserva as súas propiedades químicas, e a partir da cal se pode reconstituír a substancia sen reaccións químicas. Non obstante, esta definición só funciona ben para as substancias que están compostas por moléculas, o que non é certo para moitas substancias. As moléculas son normalmente un conxunto de átomos unidos por enlaces covalentes, de xeito que a estrutura é eléctricamente neutra e todos os electróns de valencia están emparellados con outros electróns ben en enlaces ou en pares solitarios.

Así, as moléculas existen como unidades eléctricamente neutras, a diferenza dos ións. Cando se rompe esta regra, dándolle á "molécula" unha carga, o resultado ás veces chámase ión molecular ou ión poliatómico. Porén, a natureza discreta e separada do concepto molecular require normalmente que os ións moleculares estean presentes só nunha forma ben separada, como un feixe dirixido no baleiro nun espectrómetro de masas. As coleccións poliatómicas cargadas que residen en sólidos (por exemplo, ións sulfato ou nitratos comúns) xeralmente non se consideran "moléculas" en química. Algunhas moléculas conteñen un ou máis electróns desapareados, creando radicais. A maioría dos radicais son comparativamente reactivos, pero algúns, como o óxido nítrico (ON) poden ser estables.

Unha fórmula estrutural en 2-D dunha molécula de benceno. (C₆H₆)

Os elementos "inertes" ou gases nobres (helio, neon, argon, cripton, xenon e radon) están compostos por átomos solitarios como a súa unidade discreta máis pequena, pero os demais elementos químicos illados están formados por moléculas ou redes de átomos unidos entre si dalgunha maneira. As moléculas identificables compoñen substancias familiares como a auga, o aire e moitos compostos orgánicos como o alcohol, o azucre, a gasolina e os diversos produtos farmacéuticos.

Con todo, non todas as substancias ou compostos químicos están formados por moléculas discretas e, de feito, a maioría das substancias sólidas que compoñen a cortiza, o manto e o núcleo da Terra son compostos químicos sen moléculas. Estoutros tipos de substancias, como os compostos iónicos e os sólidos de rede, están organizados de tal maneira que carecen da existencia de moléculas identificables per se. No seu lugar, estas substancias descríbense en termos de unidade de fórmula ou célula unitaria como a estrutura repetitiva máis pequena dentro da substancia. Exemplos deste tipo de substancias son os sales minerais (como o sal de mesa), os sólidos como o carbono e o diamante, os metais e os coñecidos sílice e minerais de silicato como o cuarzo e o granito.

Unha das principais características dunha molécula é a súa xeometría, a miúdo denominada estrutura. Mentres que a estrutura das moléculas diatómicas, triatómicas ou tetraatómicas pode ser trivial (lineal, piramidal angular, etc.), a estrutura das moléculas poliatómicas, que están constituídas por máis de seis átomos (de varios elementos) pode ser crucial para a súa natureza química.

Substancia e mestura

Exemplos de substancias químicas puras. De esquerda a dereita: os elementos estaño (Sn) e xofre (S), diamante (un alótropo do carbono), sacarosa (azucre puro), e cloruro sódico (sal) e bicarbonato sódico, que son compostos iónicos.

Unha substancia química é un tipo de materia cunha composición e un conxunto de propiedades definidas. Un conxunto de substancias denomínase mestura. Exemplos de mesturas son a aire e as aliaxes.

Mol e cantidade de substancia

Artigo principal: Mol.

O mol é unha unidade de medida que denota unha cantidade de substancia (tamén chamada cantidade química). Un mol defínese por conter exactamente 6.02214076×10²³ partículas (átomos, moléculas, ións, ou electróns), onde o número de partículas por mol coñécese como a constante de Avogadro. Concentración molar é a cantidade dunha substancia concreta por volume de solución, e adóitase expresar en mol/dm.³.

Fase

Diagrama que mostra as relacións entre as fases e os termos utilizados para describir os cambios de fase

.Ademais das propiedades químicas específicas que distinguen as distintas clasificacións químicas, as substancias químicas poden existir en varias fases. Na maioría dos casos, as clasificacións químicas son independentes destas clasificacións de fases; con todo, algunhas fases máis exóticas son incompatibles con determinadas propiedades químicas. Unha fase é un conxunto de estados dun sistema químico que teñen propiedades estruturais similares nunha serie de condicións, como a presión ou a temperatura.

As propiedades físicas, como a densidade e o índice de refracción tenden a situarse en valores característicos da fase. A fase da materia vén definida pola transición de fase, que se produce cando a enerxía que se introduce ou se extrae do sistema destínase a reorganizar a estrutura do sistema, en lugar de cambiar as condicións da masa.

Ás veces a distinción entre fases pode ser continua en lugar de ter un límite discreto neste caso considérase que a materia está nun estado de supercrítico. Cando tres estados atópanse en función das condicións, coñécese como punto triplo e como este é invariante, é unha forma conveniente de definir un conxunto de condicións.

Os exemplos máis coñecidos de fases son sólidos, líquidos e gases. Moitas sustancias presentan múltiples fases sólidas. Por exemplo, hai tres fases de ferro sólido (alfa, gamma e delta) que varían en función da temperatura e a presión. Unha diferenza principal entre as fases sólidas é a estrutura cristalina, ou disposición, dos átomos. Outra fase comunmente atopada no estudo da química é a fase acuosa, que é o estado das sustancias disoltas en solución acuosa (é dicir, en auga).

Outras fases menos inclúen plasmas, os condensados de Bose-Einsteins e condensados fermiónicos e as fases paramagnética e ferromagnética dos materiais magnéticos. Aínda que as fases máis coñecidas refírense a sistemas tridimensionais, tamén é posible definir análogos en sistemas bidimensionais, o que recibiu atención pola súa relevancia para os sistemas en bioloxía.

Historia

Lavoisier, fundador da química moderna.

Artigos principais: Historia da química e Historia da ciencia.

A historia da química é a historia, desde a antigüidade até os nosos días, da ciencia química e do seus precedentes filosóficos e pseudo e protocientíficos, en particular da alquimia. Está intrinsecamente ligada ao desenvolvemento da humanidade, xa que abarca todas as transformacións da materia e as teorías correspondentes.

A maioría dos historiadores da ciencia aceptan que foron os antigos exipcios os primeiros "químicos".

Historicamente, o estudo da materia fíxose desde dúas perspectivas diferentes: a tecnolóxica ou factual e a filosófica ou teórica:

• O coñecemento tecnolóxico ten a súa orixe no dominio do lume por parte do home e, polo que fai aos fenómenos químicos, procesos tales como a cocción de alimentos, a cerámica, a metalurxia, a fabricación do vidro, a preparación de medicamentos e remedios a partir de fontes naturais, a preparación de colorantes, de bebidas alcohólicas e vinagre etc. desenvolvéronse desde tempos prehistóricos no seo de diversas civilizacións.
• Con respecto ao coñecemento filosófico da materia, as primeiras teorías sobre a súa orixe e a súa constitución desenvolvéronas os filósofos gregos da antigüidade clásica, entre os que destaca Empédocles, cos catro elementos propostos por Tales de Mileto, Anaxímenes, Heráclito e Xenófanes: auga, aire, lume e terra.

A ciencia química xorde antes do século XVII a partir da alquimia, protociencia (ou pseudociencia) moi popular entre moitos dos científicos da época.

Considérase que os principios básicos da química estableceunos por primeira vez Robert Boyle na súa obra The Sceptical Chymist (1661).

A química como tal comeza a desenvolverse un século máis tarde cos traballos de Antoine Lavoisier que, xunto con Carl Wilhelm Scheele descobren o oxíxeno. Lavoisier, pola súa parte, propuxo a lei da conservación da masa e refutou a teoría do floxisto coa teoría da combustión.

As distintas ramas da química foron establecidas en función do tipo de compostos ou do tipo de estudo levado a cabo. Entre estas atópanse: a química inorgánica, encargada do estudo da materia inorgánica; a química orgánica, encargada do estudo da materia orgánica; a química física, encargada do estudo enerxético e estrutural de sistemas químicos dende escala macroscópica até a atómica; e a química analítica, baseada no estudo da materia mediante análises químicos.

A química, unha das "ciencias básicas"

A ubicuidade da química nas ciencias naturais fai desta que sexa considerada dentro das ciencias básicas. A química é de grande importancia en moitos campos do saber, como na ciencia de materiais, na bioloxía, na farmacoloxía, na medicina e na enxeñería, entre outros.

Os procesos naturais estudados pola química concirnen a partículas fundamentais (electróns, protóns e neutróns), partículas compostas (núcleos atómicos, átomos e moléculas) ou estruturas microscópicas como cristais.

Dende un punto de vista microscópico das partículas involucradas nas reaccións, pódese considerar un sistema pechado o cal intercambia enerxía co medio. No caso de reaccións exotérmicas, liberarán enerxía cedéndolla ó medio en forma de calor; mentres tanto, nun proceso endotérmico, ocorre o inverso, o medio de reacción (o sistema pechado) capta enerxía do medio para poder reaccionar. Entón, pódese estender o concepto de reacción química, engadindo deste xeito o concepto de enerxía (calor) como produto ou reactivo.

Divisións da química

Aínda que a división da química está comprendida en múltiples ramas, pódese facer a seguinte división segundo a IUPAC:

• Química física e biofísica
• Química inorgánica
• Química orgánica e biomolecular
• Polímeros
• Química analítica
• Química ambiental
• Química da saúde humana
• Nomenclatura química e representación estrutural

Máis tradicionalmente pódese facer unha división máis simple:

• Química orgánica: É a ciencia da estrutura, das propiedades, da composición e das reaccións químicas dos compostos orgánicos que, en principio, son os compostos cuxo elemento principal é o carbono. O límite entre a química orgánica e a química inorgánica, que segue, non é sempre nítido; por exemplo, o óxido de carbono (CO) e o anhídrido carbónico (CO₂) non forman parte da química orgánica.
• Química inorgánica: É a rama da química que trata das propiedades e das reaccións dos compostos inorgánicos. Inclúe a xeoquímica.
• Química física: É o estudo dos fundamentos físicos dos sistemas químicos e dos procesos físicos. En particular, a descrición enerxética das diversas transformacións, por exemplo, forma parte desta rama da química. Nela atópanse disciplinas importantes como a termoquímica, aplicación da termodinámica á química; a cinética química, a mecánica estatística, a espectroscopia e a electroquímica, entre outros.
• Química analítica: É o estudo de mostras de material para coñecer a súa composición química e a súa estrutura.

A importancia dos sistemas biolóxicos, fai que actualmente todas as ramas teñan unha gran presenza en estudos de natureza bioquímica.

Química inorgánica:
Dicromato de amonio, (NH₄)₂Cr₂O₇

Áreas de estudo relacionadas coa química e algunhas das súas subdivisións

Un dos procedementos frecuentes na electroquímica é a electrólise.

• Química inorgánica: estuda as substancias inorgánicas.
• Química orgánica: estuda as substancia orgánicas.
• Bioquímica: trata dos procesos químicos relativos aos seres vivos.
• Cálculo de reactores: rama da Enxeñaría Química que estuda o proxecto de conxunto de reactores industriais.
• Carboquímica: trata de procesos que inclúen o carbón mineral.
• Catálise química: trata de procedementos que alteran a cinética das reaccións.
• Ciencias dos materiais: trata da composición, resistencia e durabilidade de materiais.
• Cinética química: trata da velocidade das reaccións químicas.
• Combustión: trata das substancias usadas na produción de enerxía.
• Electroquímica: trata de reaccións químicas que inclúen enerxía eléctrica.
• Enxeñaría química: rama da enxeñaría dedicada ao proxecto e estudo de industrias de procesos químicos.
• Mineraloxía
• Química ambiental
• Química industrial: estudo de reaccións con interese en procesos industriais (ver Enxeñaría química e Cálculo de reactores)
• Química cuántica
• Operacións unitarias: rama da Enxeñaría química que estuda o proxecto de equipamentos industriais de transformacións físicas (por exemplo, filtración, destilación, decantación, quecemento) en oposición ás Conversións químicas (Cálculo de reactores).
• Petroquímica: trata da obtención e refinación do petróleo
• Termoquímica: trata de reaccións químicas que inclúen enerxía térmica.

Literatura química

Alén dos libros didácticos ou específicos sobre temas de Química no mundo, publícanse diariamente moreas de artigos técnicos e científicos. Hai millares de xornais e revistas científicas de química. A principal fonte de referencia para unha investigación bibliográfica sobre os asuntos tratados na área química é o Chemical Abstracts, publicado pola American Chemical Society, o cal contén resumos dos principais artigos publicados mundialmente.

Véxase tamén

Bibliografía

• Atkins, Peter; de Paula, Julio (2009). Elements of Physical Chemistry (en inglés) (quinta ed.). Nova York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-922672-6. 
• Burrows, Andrew; Holman, John; Burrows, John; Parsons, Andrew; Pilling, Gwen; Price, Gareth (2009). Chemistry 3. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927789-6. 
• Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2001). Inorganic Chemistry (3rd ed.). Harlow, Essex: Pearson Education. ISBN 978-0-13-175553-6. 

Ligazóns externas

• A ciencia ten nome de muller en Galilibros.
• Libro de introdución á Química en Galilibros
• Libro de preguntas de Física e Química en Galilibros
• Real Sociedad Española de Química