La ciencia se define como el conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales.

Química: química proviene de un término en árabe kem, que significa tierra, y es el estudio de la composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia.
Es la rama de la ciencia que estudia las carácterísticas y composición de todos los materiales, así como los cambios que estos sufren. El método científico está establecido sobre dos bases principales:

La primera base es la repetición. Este método puede reproducirse o repetirse. Podemos utilizar un experimento y reproducirlo varias veces, en cualquier lugar y por cualquier persona.

La segunda base es la argumentación; en otras palabras, toda propuesta científica está sujeta a ser rechazada, o aceptada.

Método científico: es un método o procedimiento que ha caracterizado a la ciencia natural desde el Siglo XVII, que consiste en la observación sistemática, medición y experimentación, y la formulación, análisis y modificación de las hipótesis.

Periodo Antiguo

Las primeras grandes civilizaciones empíricamente, es decir sin conocimiento científico, aprendieron a combinar sustancias para obtener otras, como el vidrio y colorantes; también aprovecharon reacciones de combustión para calentarse, cocinar, iluminarse, etc.

Muchas civilizaciones antiguas usaban un grupo de elementos para explicar los patrones en la naturaleza.

Etapa de los griegos

Cuando se funda la civilización griega ya se conocían algunos elementos como el hierro, aluminio, cobre, el  estaño y el plomo; e incluso, ya dominaban la técnica de fundición de bronce, (aleación de cobre y estaño);  en esta etapa muchos de las herramientas y ornamentos utilizados en los hogares eran hechos por estos metales.

Los griegos consideraban cuatro elementos fundamentales como la base de todo, estos elementos eran: tierra, viento, agua y fuego.

Los primeros filósofos griegos, cuyo método de planteamiento de la mayor parte de los problemas era teórico e hipotético, llegaron a la conclusión de que la Tierra estaba formada por unos pocos elementos o sustancias básicas.

Fue Empédocles de Agrigento, un filósofo y político democrático griego, alrededor del 430 a.C. Quien establecíó que las sustancias fundamentales, de las cuales todo lo que conocían estaba hecho, eran cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Él decía que la salud consiste en cierto equilibrio entre estos elementos.

Un siglo más tarde Aristóteles creía que el cielo constituía un quinto elemento, al cual le llamó éter. Los griegos creían que las substancias de la Tierra estaban formadas por las distintas combinaciones de estos elementos en distintas proporciones. Los alquimistas

Los sucesores de los griegos en el estudio de las sustancias fueron los alquimistas medievales, que aunque tenían la grande desventaja de estar sumergidos en la magia y la charlatanería, llegaron a conclusiones más importantes, más razonables y creíbles  que las de los griegos, ya que por lo menos manejaron y experimentaron con los materiales sobre los que especulaban.

Los alquimistas de la Edad Media creían que para lograr la transformación de metales de poco valor, como el plomo, en oro o plata, había que añadir y combinar una cantidad justa de Mercurio para lograr dicho cambio. También pensaban que para que esta reacción se produzca tendría que ocurrir en presencia de un catalizador al que se llamó piedra filosofal. La etapa de los alquimistas fue determinada básicamente por la búsqueda de este catalizador.

Durante la Edad Media, especialmente entre los siglos V y XV, la ciencia fue afectada por las corrientes religiosas y la superstición.

La alquimia le dejó el uso de los primeros laboratorios químicos, así como técnicas tan importantes como fusión, calcinación, disolución, filtración, sublimación, y destilación. La química se diferencia de alquimia por la validación y la transmisión del conocimiento.

Química moderna

Con el transcurso del tiempo es a partir del Siglo XIII cuando se comienza a observar una necesidad de organización del conocimiento. Es en esta etapa cuando aparecen hombres tan importantes como el químico francés Antoine Lavoisier, el cual es considerado el padre de la química moderna. Se graduó en 1764, en esta época su actividad se orientó sobre todo hacia la investigación científica. En 1766 recibíó la medalla de oro de la Academia de Ciencias francesa por un ensayo sobre el mejor método de alumbrado público para grandes poblaciones. La especulación acerca de la naturaleza de los cuatro elementos tradicionales (aire, agua, tierra y fuego) lo llevó a emprender una serie de investigaciones sobre el papel desempeñado por el aire en las reacciones de combustión.

Ciencias relacionadas con la química 

Biología física historia matemáticas agricultura ingeniería ecología geografía economía bioquímica 

Elemento: Tipo de sustancia pura que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos. Está formado por átomos de la misma clase. Ejemplo: aluminio y hierro. Algunos elementos se han encontrado en la naturaleza y otros obtenidos de manera artificial, formando parte de sustancias simples o de compuestos químicos. 

Compuesto: Tipo de sustancia que se puede separar en sustancias más simples por medios químicos; es toda porción de materia que comparte propiedades como la temperatura, la presión, la velocidad, el volumen específico (volumen ocupado por la unidad de masa), el punto de ebullición, el punto de fusión, la densidad, viscosidad, dureza, concentración, solubilidad, olor, color, sabor, etcétera.

La materia se clasifica en sustancias puras y mezclas. Una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. La composición de una sustancia pura es definida y fija. Por ejemplo el agua pura es un compuesto que siempre contiene dos átomos de hidrógeno por uno de oxígeno. En contraparte, una mezcla es una combinación de sustancias, éstas se caracterizan porque conservan todas sus propiedades y se pueden separar con facilidad por métodos físicos, además, no poseen fórmula química. La composición de una mezcla puede variar y se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Estado sólido: la materia en estado sólido se presentan cuando sus átomos se unen formando cuerpos de forma definida;

 Cohesión elevada

Tienen una forma definida y memoria de forma

Resistencia a la fragmentación

Fluidez muy baja o nulahesión elevada

Estado líquido:
La materia en estado líquido tiene la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. Estado líquido: la materia en estado líquido tiene la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene.

Cohesión menor

Son fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma, por lo que toman la forma de la Poseen fluidez a través de pequeños orificios

Son ,poco compresibles

Las propiedades químicas, se observan cuando una sustancia sufre un cambio en su estructura interna, transformándose en otra sustancia; dichos cambios químicos, son generalmente irreversibles

Estado gaseoso: en el estado gaseoso las moléculas del gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de acomodarse por todo el espacio en el cual son contenidos.

Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión.

El estado gaseoso presenta las siguientes carácterísticas:

Cohesión casi nula

No tienen forma definida

Las propiedades químicas, se observan cuando una sustancia sufre un cambio en su estructura interna, transformándose en otra sustancia; dichos cambios químicos, son generalmente irreversibleserficie o el recipiente que los contiene

la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo o suministrar calor. Son formas de energía: la luz, el calor, la energía eléctrica, mecánica, química, nuclear y atómica. La energía se puede convertir de una forma a otra

. Por ejemplo, cuando enciendes una linterna, la energía química almacenada en las baterías se convierte en energía eléctrica y finalmente en luz y un poco de energía calorífica. De la misma manera, los automóviles funcionan porque se logra la conversión de energía química en mecánica. Las diversas formas de energía se clasifican como energía cinética o energía potencial. La energía cinética es energía de movimiento y la energía potencial es energía almacenada, es la energía que un objeto posee en virtud de su posición o de su composición química.

Cambio físico: es el cambio transitorio de las sustancias que no afecta a la naturaleza de la materia, aunque cambia su forma. Un cambio físico se produce por la acción de un agente externo a la naturaleza de la materia.

Para entender un poco mejor acerca de los cambios físicos, tomemos como ejemplo el agua.

Cambios del estado del agua:

El paso del estado sólido a líquido recibe el nombre de fusión, lo que sucede por aumento de calor. Proceso endotérmico.

El paso de estado líquido a gaseoso se llama evaporación, lo que sucede por aumento de calor. Proceso endotérmico.

El paso del estado gaseoso a líquido se llama condensación, lo que sucede por pérdida de calor. Proceso exotérmico.

El paso de líquido a sólido recibe el nombre de solidificación, lo que sucede por pérdida de calor. Proceso exotérmico.

Revisemos cada uno de los cambios de estado del agua.

a) Condensación: es un proceso en el que la materia pasa a una forma más densa. La condensación es el resultado de la disminución de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación.

La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas, así como la distancia entre ellas. De acuerdo a la teoría cinética del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido.

Aplicaciones del proceso de condensación: la condensación es importante en el proceso de destilación y en el funcionamiento de las máquinas de vapor, donde el vapor de agua utilizado se vuelve a convertir en agua líquida en un aparato llamado condensador.

b) Evaporación: es la conversión progresiva de un líquido en gas sin que haya ebullición; es importante destacar que las moléculas de cualquier líquido se encuentran en movimiento constante. La velocidad de las moléculas solo depende de la temperatura que se le aplica a la materia; es decir, la evaporación es un proceso que enfría; si se pone una gota de agua sobre la piel, se siente frío cuando se evapora.

En el caso de una gota de alcohol, que se evapora con más rapidez que el agua, la sensación de frío es todavía mayor. Si un líquido se evapora en un recipiente cerrado, el espacio situado sobre el líquido se llena rápidamente de vapor, y la evaporación se ve pronto compensada por el proceso opuesto, la condensación.

c) Fusión: si se calienta un sólido llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre de fusión. Cuando se calienta un sólido se transfiere calor a los átomos, los cuales vibran con más rapidez a medida que ganan energía.

El proceso de fusión de la materia es el mismo que el de fundición, pero este último término se aplica principalmente a las sustancias como los metales, que se funden a altas temperaturas. Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusión, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformación, y no produce variación de su temperatura. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia en estado sólido para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión carácterístico; por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0°C a la presión atmosférica normal.

d) Vaporización: si calentamos un líquido, se transforma en gas; este proceso recibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se denomina ebullición. También la temperatura de ebullición es carácterística de cada sustancia y se denomina punto de ebullición. El punto de ebullición del agua es 100°C a la presión atmosférica normal.

e) Solidificación: es un proceso físico que se basa en el cambio de estado de la materia de líquido a sólido, producido por una disminución en la temperatura o por una compresión de este material. Es el proceso opuesto a la fusión, y sucede a la misma temperatura; ejemplo de esto es cuando colocamos en el congelador un líquido, como la temperatura es muy baja esto hace que se haga hielo, es en ese proceso cuando al efectuarse la solidificación aumenta el volumen aunque no sucede en todos los casos.

f) Sublimación: es un proceso físico que se basa en la conversión directa de un sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. A la presión atmosférica normal, el hielo seco (dióxido de carbono sólido) se evapora sin fundirse.

g) Cristalización o sublimación inversa: es un proceso físico inverso a la sublimación, es decir, cuando una sustancia en estado gaseoso se solidifica sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo: la nieve se forma por la solidificación directa del vapor de agua.

5.1 Desarrollo del modelo atómico

El nombre átomo proviene de un término en griego que significa “sin porciones, indivisibles”. El concepto de átomo como partícula básica y sin divisiones que conforma la materia del universo fue propuesto en la Antigua Grecia.

Los filósofos griegos argumentaron mucho acerca de la composición de la materia y concluyeron que el mundo era más sencillo de lo que parecía.

En el siglo V a. C. Leucipo sosténía que existía un solo tipo de materia, y pensaba que si se dividía la materia en partes cada vez más pequeñas, se obtendría un trozo que no se podría cortar más. Fue Demócrito quien llamó a estos trozos átomos (sin división).

La filosofía de Leucipo y Demócrito estaba basada en los siguientes puntos:

Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles

Los átomos se diferencian en su forma y tamaño

Las propiedades de la materia varían según la distribución de los átomos

El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzaron muy lentamente a lo largo de los siglos, ya que la gente se limitaba a especular sobre él.

La teoría atómica no se convirtió en teoría científica sino hasta 1808. John Dalton (1766-1844) desarrolló una teoría referente al átomo, la cual planteaba que los átomos eran los responsables de todas las combinaciones de elementos que se localizaban en los compuestos.

La teoría atómica de Dalton propone:

Todo elemento está conformado por átomos.

Todos los átomos de un elemento son idénticos y son diferentes de los átomos de otros elementos.

Los átomos de dos o tres elementos diferentes se pueden combinar para conformar diferentes compuestos.

Una reacción química supone el reordenamiento, la separación o combinación de átomos. Los átomos nunca se crean o destruyen durante una reacción química.

Modelos atómicos

Modelo atómico de Thompson: luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thompson, se determinó que la materia se compónía de dos partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba formada por electrones, los cuales se encontraban, según este modelo, sumergidos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel. La herramienta principal con la que contó Thompson para su modelo atómico fue la electricidad.

Modelo atómico de Rutherford: este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thompson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa; sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene prácticamente  toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una envoltura girando alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no científico. Una de las aportaciones más significativas de Ernest Rutherford fue quien supuso la existencia del neutrón en el año 1920.

Modelo atómico de Bohr: en 1913, Niels Bohr propuso un diferente modelo atómico. El modelo atómico de Bohr señalaba la existencia de un núcleo formado por protones y neutrones, donde está concentrada la masa y la carga Con el desarrollo de la física nuclear, en el Siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas. Conforme se descubría más y más acerca de los átomos, se descubríó que conténían partículas de menor dimensión llamadas partículas subatómicas. Las partículas subatómicas más importantes son: protones, neutrones y electrones.

El protón tiene una carga positiva (+), y el electrón posee una carga negativa (-). El neutrón no tiene carga eléctrica, por lo tanto es neutro.

En el núcleo se encuentran los protones y neutrones, y en las órbitas se localizan los electrones. Un átomo es eléctricamente neutro; esto significa que el número de protones es igual al número de electrones.

Número atómico: es igual al número de protones en el núcleo de un átomo. Este número es importante porque se usa para identificar a cada elemento.

Número atómico= número de protones en un átomo.

Para que lo puedas identificar más fácilmente en la tabla periódica. El número atómico es el número entero que aparece sobre el símbolo para cada elemento.

Número de masa: la suma de protones y neutrones determinan la masa del núcleo.

Número de masa = Número de protones + número de neutrones

Ejemplo, si un átomo de nitrógeno que contiene 7 protones y 7 neutrones tiene un número de masa de 14. Un átomo de oxígeno que contiene 8 protones y 8 neutrones tiene un número de masa de 16.Positiva del átomo. El electrón gira en órbitas circulares alrededor del núcleo, pero con algunas restricciones, solo puede existir una órbita posible, cuya energía se encuentra definida

Número de protones = número atómico

Número de protones = masa – neutrones

Número de electrones = número de protones

Número de neutrones = Masa – protones

. Isótopo

Todos los átomos del mismo elemento tiene el mismo número de protones y electrones; pero hay algunas excepciones, los átomos de algunos elementos no son totalmente idénticos porque pueden tener diferente número de neutrones.

Los isótopos son átomos del mismo elemento, pero difieren en el número de neutrones; por ejemplo, todos los átomos del magnesio (Mg) tienen 12 protones; sin embargo, algunos átomos de magnesio tienen 12 neutrones, otros tienen 13 o 14 neutrones. Como consecuencia, las diferencias en los números de neutrones para esos isótopos es que sus números de masa sean diferentes, pero su comportamiento químico es el mismo.

Un ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un átomo o molécula que no es eléctricamente neutra. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un átomo o partícula, se han ganado o perdido electrones; este fenómeno se conoce como ionización.

Los iones cargados negativamente se conocen como aniones, y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes.