Química 1 para ingenieros/Química y unidades

El estudio de la química

Perspectiva atómica y molecular de la química

La química es el estudio de las propiedades y el comportamiento de la materia, La materia es todo lo que tiene masa y ocupa un espacio, y su variedad en el mundo está relacionada con las combinaciones de aproximadamente 100 elementos. Cada elemento se compone de un solo tipo de átomos y las propiedades de la materia se relacionan tanto en la composición del tipo de átomos y las propiedades de la materia se relacionan tanto con la composición del tipo de átomos como con la estructura, y estos a su vez, se combinan para formar moléculas en las que dos o más átomos se unen en forma específica.^[1]

Es frecuente que se le considere como la ciencia central ya que permite el entendimiento fundamental de otras ciencias debido a su relación directa con la biología, geología física, ecología, entre otras disciplinas. Los químicos con frecuencia ven algo a nivel macroscópico y piensan en lo que sucede a nivel microscópico, como lo representa la figura 1, donde al observar un clavo un química en la interacción que se produce entre los átomos y moléculas para producir el cambio observado.

*Figura 1: Vista simplificada de la formación de herrumbre en unos clavos*

¿Por qué estudiar química?

La química tiene gran impacto en nuestra vida diaria, ya que influye en el mejoramiento de la atención médica, conservación de los recursos naturales, la protección del medio ambiente y el suministro de nuestras necesidades diarias. Por medio de ella, se han descubierto sustancias farmacéuticas que fortalecen y prolongan la vida, se ha aumentado la producción de alimentos y desarrollado la síntesis de plásticos y otros materiales que se utilizan en todas las facetas de la vida. Sin embargo, algunas sustancias químicas también tienen el poder de dañar la salud y el medio ambiente, por eso es importante conocer los efectos tanto positivos como negativos para lograr un equilibrio en su uso.

Lugar	Sustancia química	Fórmula	Producción en 2008 (miles de millones de libras)	Usos finales principales
1	Ácido sulfúrico	$H_{2}SO_{4}$	71	Fertilizantes, plantas químicas
2	Etileno	$C_{2}H_{4}$	50	Plásticos, anticongelante
3	Cal	$C_{a}O$	44	Papel, cemento, acero
4	Polipropileno	$C_{2}H_{6}$	33	Plásticos
5	Amoníaco	$NH_{3}$	21	Fertilizantes
6	Cloro	$Cl_{2}$	21	Blanqueadores, plásticos, purificación de agua
7	Ácido fosfórico	$H_{3}PO_{6}$	20	Fertilizantes
8	Hidróxido de sodio	$NaOH$	16	Producción de aluminio, jabón

Tabla 1. Las 8 sustancias químicas fabricadas en mayor cantidad por la industria estadounidense

Química, una ciencia para el siglo XXI

La química como ciencia antigua hablando del siglo XIX, permitió que los científicos separaran sustancias en sus componentes y por tanto explicar muchas de sus características físicas y químicas. El desarrollo acelerado de nuevas tecnologías durante el siglo XX ha brindado medios para estudiar más a fondo lo que es inapreciable a simple vista por medio del uso de microscopios especiales que permite analizar la estructura de los átomos y las moléculas y diseñen nuevas sustancias con propiedades específicas como fármacos y productos de consumo no contaminantes ^[2]

Los tres niveles del estudio de la química

*Figura 3: Tres niveles de estudio de la química*

El primer nivel que corresponde a la observación detallada, implica los fenómenos que ocurren en el mundo microscópico; los átomos y las moléculas que lo conforman.

El segundo nivel es la representación, constituye el registro de las mediciones y observaciones que pueden ser cualitativos o cuantitativos y se describen en diversas ecuaciones que constituyen una base común para la comunicación con otros químicos.

Finalmente, la interpretación, en la que el científico intenta explicar el fenómeno observado. Con base en los datos recopilados, el investigador formula una hipótesis, que es una explicación tentativa de un conjunto de observaciones. Luego, se diseñan experimentos adicionales para verificar la validez de la hipótesis en tantas formas como sea posible y el proceso se inicia de nuevo.

Unidades de medida

Unidades básicas del sistema internacional de unidades

Antiguamente los científicos registraban las mediciones en unidades métricas que se relacionan de manera decimal, con base en potencias. a partir de 1960 la conferencia general de pesos y medidas propuso un sistema métrico al que se llamó Sistema Internacional de Unidades (SI, del francés Système Internationale d’Unites).

Cantidad básica	Nombre de la unidad	Símbolo
Longitud	metro	$m$
Masa	kilogramo	$kg$
Tiempo	segundo	$s$
Corriente eléctrica	amperio	$A$
Temperatura	kelvin	$k$
Cantidad de sustancia	mol	$mol$
Intensidad luminosa	candela	$cd$

Tabla 2. Unidades del SI

Al igual que las unidades métricas, las de SI se modifican de manera decimal con prefijos para indicar fracciones y múltiplos de varias unidades

Prefijo	Abreviatura	Significado	Ejemplo
mega	$M$	$10^{6}$	1 megámetro $(Mm)=1*10^{6}m$
kilo	$k$	$10^{2}$	1 kilómetro $(km)=1*10^{2}m$
deci	$d$	$10^{-1}$	1 decímetro $(dm)=1*10^{-1}m$
centi	$c$	$10^{-2}$	1 centímetro $(cm)=1*10^{-1}m$
mili	$m$	$10^{-3}$	1 miligramo $(mg)=1*10^{-3}m$
micro	$\mu$	$10^{-6}$	1 microgramo $(\mu g)=1*10^{-6}m$
nano	$n$	$10^{-9}$	1 nanogramo $(ng)=1*10^{-9}m$
pico	$p$	$10^{-12}$	1 picogramo $(pg)=1*10^{-12}m$

Tabla 3: Prefijos usados con las unidades del SI

Unidades de longitud y masa

La unidad fundamental del SI para la longitud es el metro $(m)$ y se define como la distancia que recorre la luz en el vacío en 1 / 299 792 468 segundos. La unidad fundamental de masa es el kilogramo $(Kg)$ y representa una medida constante de la cantidad de materia en un objeto, aunque, en química es más conveniente usar una unidad más pequeña, el gramo $(g)$ .

¿Sabías que? El kilogramo se define como la masa de un cilindro de platino-iridio almacenado en una bóveda en Sevres, cerca de París, Francia.

Unidades de calor y temperatura: Escalas de temperatura: Kelvin, Celsius y Fahrenheit

La temperatura mide la intensidad de calor ‘’lo caliente’’ o lo’’frío’’ de un cuerpo y se define como la propiedad de un cuerpo que determina la dirección del flujo de calor. El calor es una forma de energía que siempre fluye de manera espontánea de un cuerpo más caliente a un cuerpo más frío; nunca fluye en dirección inversa.

Son tres las escalas de temperatura que están en uso actualmente. Sus unidades son $^{\circ }F$ (grados Fahrenheit), $^{\circ }C$ (grados Celsius) y K (kelvin). El kelvin es la unidad básica de temperatura del SI; se trata de una escala de temperatura absoluta. En esta escala el cero es la temperatura más baja que se pueda alcanzar, la cual equivale a $-273.15^{\circ }C$ , una temperatura a la que llamamos cero absoluto.En la figura 4, se puede observar la comparación entre las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Farenheit^[3]

*Figura 4: Comparación de las escalas de temperatura*

Conversión entre las diferentes escalas de temperatura

La aiguiente ecuación se utiliza para convertir grados Celsius a grado Farenheit

^{\circ }F={\frac {9^{\circ }F}{5^{\circ }C}}*(^{\circ }C)+32^{\circ }F

Las escalas Celsius y Kelvin tienen unidades de la misma magnitud, es decir, un grado Celsius es equivalente a un Kelvin. En estudios experimentales, se ha comprobado que el cero absoluto de la escala Kelvin equivale a 273.158 $^{\circ }C$ . Así pues, es posible usar la ecuación siguiente para convertir grados Celsius a Kelvin.

^{\circ }K=(^{\circ }C+273,15^{\circ }C){\frac {1K}{1^{\circ }C}}

A de convertir grados Fahrenheit a grados Celsius, se escribe

^{\circ }C=(^{\circ }F-32^{\circ }F)*{\frac {5^{\circ }C}{9^{\circ }F}}

Unidades derivadas del SI: Volumen, densidad, presión y energía

El volumen es un ejemplo de una cantidad medida con unidades derivadas. La unidad derivada del SI para volumen es el metro cúbico $(m^{3})$ . No obstante, los químicos suelen trabajar con volúmenes mucho más pequeños, como el centímetro cúbico $(cm^{3})$ y el decímetro cúbico $(dm^{3})$ .

Otra unidad de volumen muy usada es el litro $(L)$ . Un litro es el volumen que ocupa un centímetro cúbico. Un volumen de un litro es igual a $1000$ mililitros $(mL)$ o $1000(cm^{3})$ .

*Figura 5: Relación volumétrica entre un cubo de 1 m y otro de 1 cm por cada lado*

La densidad es otra cantidad de medida con unidades derivadas y se expresa en unidades de ${\frac {g}{cm^{3}}}$ o en ${\frac {g}{mL}}$ . La ecuación para la densidad es:

densidad={\frac {masa}{volumen}}

d={\frac {m}{V}}

donde $d$ , $m$ , y $V$ denotan densidad, masa y volumen, respectivamente. La densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, por lo que la proporción de masa sobre volumen permanece sin cambio para un material dado.

No es coincidencia que la densidad del agua sea de $1.00{\frac {g}{mL}}$ ; el gramo originalmente se definió como la masa de $1{\frac {m}{L}}$ de agua a una temperatura específica. Debido a que la mayoría de las sustancias cambian de volumen cuando se calientan o se enfrían, las densidades dependen de la temperatura, por lo que esta última debe especificarse cuando se reportan densidades. Si no se reporta la temperatura, suponemos que esta es de $25^{\circ }C$ , cercana a la temperatura ambiente.

↑ Brown, Theodore L (2014). Química (primera edición edición). Pearson Education. ISBN 9786073223409.
↑ Chang, Raymond L (2020). Química (décimo tercera edición edición). McGraw-Hill Interamericana. ISBN 9781456279936.
↑ Whitten, Kenneth (2015). Química (décima edición edición). Cengage. ISBN 9786075199580.

[1] Brown, Theodore L (2014). Química (primera edición edición). Pearson Education. ISBN 9786073223409.

[2] Chang, Raymond L (2020). Química (décimo tercera edición edición). McGraw-Hill Interamericana. ISBN 9781456279936.

[3] Whitten, Kenneth (2015). Química (décima edición edición). Cengage. ISBN 9786075199580.

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