PLAN DE MEJORAMIENTO DE QUÍMICA – 2024

CONTENIDO

El Método Científico.
El átomo, su estructura y propiedades.
Tabla Periódica: elementos, símbolos, grupos, periodos y algunas propiedades periódicas.
Compuestos químicos: orgánicos e inorgánicos.

EL MÉTODO CIENTÍFICO

Etapas del Método Científico.

El Mundo de Beakman - Método Científico

Pasos del Método Científico

El método científico, camino hacia el conocimiento) es un método de investigación usado principalmente en la producción de conocimiento en las ciencias. Es un método de investigación basado en la empírica y en la medición, sujeto a los principios específicos de las pruebas de razonamiento que consiste en la observación sistemática, medición y experimentación, y la formulación, análisis y modificación de las hipótesis.

El método científico está sustentado por dos pilares fundamentales. El primero de ellos es la reproducibilidad, es decir, la capacidad de repetir un determinado experimento, en cualquier lugar y por cualquier persona. Este pilar se basa, esencialmente, en la comunicación y publicidad de los resultados obtenidos (por ej. en forma de artículo científico). El segundo pilar es la refutabilidad. Es decir, que toda proposición científica tiene que ser susceptible de ser falsada o refutada (falsacionismo). Esto implica que se podrían diseñar experimentos, que en el caso de dar resultados distintos a los predichos, negarían la hipótesis puesta a prueba.

¿Qué diferencia hay entre hipótesis, ley y teoría en la ciencia?

Las teorías son una explicación amplia para una variedad de fenómenos e incluyen muchas hipótesis y leyes.

Dentro del método científico uno de los elementos clave es la formulación de una hipótesis. Por ejemplo: algo cae al suelo, y cae al suelo aquí y allá, las cosas siempre caen al suelo. Alguien se preguntó en un momento por qué ocurría eso y formuló una primera explicación tentativa sobre ese hecho que estaba observando. Eso es una hipótesis, una explicación que se da el observador para un determinado fenómeno o problema y que generalmente se basa en la experiencia previa, el conocimiento científico que posee y las observaciones sobre ese hecho que a su vez, muchas veces, dependen del método con el que se está analizando.

Una hipótesis es una explicación que se da el observador para un determinado fenómeno o problema

Por ejemplo, cuando se hablaba de la evolución, Jean-Baptiste Lamarck (Bazentin, 1744 - París, 1829) decía: el medio es el que hace que los seres vivos cambien porque usan o dejan de usar algunas de sus características, con lo cual el medio es el que hace que los seres se transformen. Y ponía el clásico ejemplo de la jirafa. A la jirafa se le estira el cuello, pensaba Lamarck, porque como las ramitas que va a comer están en los árboles que son altos, su cuello se va estirando de tanto usarlo para alcanzarlas. Luego viene Charles Darwin (Shrewsbury, 1809-Down House, 1882) y dice, no, no creo que sea así, yo creo que los organismos sufren pequeños cambios que consiguen que cuando ocurre una transformación en el medio ambiente (externo o interno) les permiten adaptarse a esa novedad; sobrevivir y producir mayor cantidad de descendientes. Entonces su población aumentará a expensas de otras menos capaces de adaptarse a las nuevas circunstancias. Un observador externo lo ve como si los organismos hubieran sido seleccionados por acción directa del ambiente pero en realidad ha sido la condición de los organismos de tener variación y diversidad lo que les ha dado las oportunidades para adaptarse a los cambios, sobrevivir y, a la larga, evolucionar.

Hoy en día tenemos una teoría unificada que reúne las observaciones de Lamarck y de Darwin, las del genetista Gregor Mendel y más recientemente las observaciones de la genética molecular y la epigenética para explicar tanto la diversidad de los organismos que les permite adaptarse a nuevos cambios del ambiente como el impacto que los cambios tienen sobre los mecanismos genéticos que en la época de Darwin y Lamarck no se conocían.

Una ley es una manera de generalizar lo que puede ocurrir cuando tienes un conjunto acumulado de datos sobre un fenómeno determinado

En ese proceso de dar explicaciones para fenómenos surge muchas veces una concordancia o una generalización sobre los datos que uno tiene. Por ejemplo, si volvemos al ejemplo de la evolución, parece que siempre sobreviven los organismos que tienen las características que les permiten adaptarse a determinado ambiente. Cuando eso se encuentra en la ciencia, una manera compacta de describir un fenómeno, es decir de predecir qué es lo que va a suceder en una situación determinada, es una ley. Por ejemplo, la ley de la selección natural que dice: siempre sobreviven los individuos más aptos. Ahí se describe un hecho que se ha ido construyendo con las distintas hipótesis de las que se partía. Esa ley no te explica todo el proceso evolutivo pero sí te dice una manera de generalizar lo que puede ocurrir cuando tienes un conjunto acumulado de datos sobre un fenómeno determinado.

Las leyes científicas pueden ser modificadas o rechazadas. Hubo un tiempo en el que se creía que la vida surgía por generación espontánea, por ejemplo, pero el avance del conocimiento llevó a que esa idea se rechazara. Por último, surgen las teorías que son la construcción más compleja que elabora la ciencia. Por eso el sueño de las personas que se dedican a la ciencia y de la ciencia en general son las teorías unificadas porque son como súper teorías, súper construcciones de conocimiento que resumen toda la biología o toda la física o toda un área de la matemática o de la química.

Una nueva evidencia o una nueva forma creativa de observar el fenómeno del que trata una teoría puede hacer que se formule una nueva hipótesis

En física y en química se utilizan mucho las leyes. En biología, por la propia naturaleza del conocimiento científico, más que leyes se suelen hacer construcciones conceptuales más complejas como las teorías. Las teorías son una explicación amplia para una variedad de fenómenos e incluyen muchas hipótesis y leyes. Y deben tener una serie de características estructurales: deben ser concisas, deben ser sistemáticas, deben ser predictivas y deben ser aplicables de manera amplia. Generalmente, una teoría sobre un fenómeno determinado que es aceptada por la comunidad científica tiene muchas líneas de evidencia por lo que falsarlas, es decir, cambiarlas por otras, es difícil. Son muy estables. Pero eso no quiere decir que sean inmutables. Una nueva evidencia o una nueva forma creativa de observar el fenómeno del que trata una teoría puede hacer que se formule una nueva hipótesis y esa nueva hipótesis puede llegar a modificar la teoría.

1. PREGUNTAS TIPO PRUEBA SABER DEL M.C.

EL ÁTOMO

Estructura y Propiedades

El átomo es la parte más pequeña en la que se puede obtener materia de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componen no pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. El primero en utilizar este término fue Demócrito, porque creía que todos los elementos deberían estar formados por pequeñas partículas que fueran INDIVISIBLES. Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Hoy día sabemos, que los átomos no son, como creía Demócrito, indivisibles. De hecho están formados por partículas, llamadas subatómicas, que son:

PROTÓN: partícula elemental con carga eléctrica positiva igual a 1, su masa es una uma (unidad de masa atómica) y es 1837 veces mayor que la del electrón, se simboliza p+ .

ELECTRÓN: partícula elemental con carga eléctrica negativa igual a 1, masa despreciable y se simboliza e- .

NEUTRÓN: partícula elemental eléctricamente neutra, con una masa ligeramente superior a la del protón, se simboliza n ó n^o ó N.

.

Ejemplo: A partir del siguiente gráfico calcular el número de electrones, neutrones y protones del átomo de cobre (Cu).

TABLA PERIÓDICA

Elementos, símbolos, grupos, periodos y algunas propiedades periódicas

La tabla periódica de los elementos clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos conforme a sus propiedades y características.

Su función principal es establecer un orden específico agrupando elementos.

Suele atribuirse la tabla a Dmitri Mendeléyev, quien ordenó los elementos basándose en las propiedades químicas de los elementos.

La tabla periódica actual consta de 119 elementos como este, que son los que hasta el día de hoy, se conocen. Ahora veamos como se agrupan todos estos elementos para tener un orden.

En horizontal se ordenan de menor a mayor número atómico (cantidad de protones que tiene en el núcleo el átomo del elemento).

Las Filas (en horizontal) de los elementos se llaman periodos.

Los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas parecidas.

Todos los elementos de un período tienen el mismo número de orbitales.

Los electrones de un átomo que tengan la misma energía se dice que están en el mismo orbital de energía.

Estos niveles de energía es lo que se conoce como orbital.

Como ves en la tabla periódica hay 7 periodos.

Las Columnas (en vertical) se agrupan en columnas los elementos que tienen propiedades parecidas.

Las Columnas se llaman Grupos o Familias de la tabla Periodica.

Todos los elementos de un mismo grupos de la tabla periódica tienen la misma valencia o número de electrones en su última capa (Grupo IA o 1, valencia 1) y por lo tanto tienen propiedades parecidas.

En la tabla periódica hay 18 Familias.

ALGUNAS PROPIEDADES DE LA TABLA PERIODICA

💥Energía de Ionización (EI).

También llamado potencial de ionización. “Es la energía necesaria para extraer un e^– de un átomo neutro en estado gaseoso y formar un catión”. Es siempre positiva (proceso endotérmico). Se habla de 1ª EI, 2ª EI,... según se trate del primer, segundo, ... e^– extraído.

La EI aumenta hacia arriba en los grupos al haber una mayor atracción por una “Z^*” parecida y una menor distancia de los electrones externos al núcleo; también aumenta hacia la derecha en los periodos por una mayor “Z^*” y un menor radio. La EI de los gases nobles al igual que la 2ª EI en los metales alcalinos es muy grande, pues se debe extraer un e^– a átomos con configuración electrónica muy estable.

💥Afinidad Electrónica (AE)

“Es la energía intercambiada cuando un átomo gaseoso captura un e^– y forma un anión”. Es difícil de medir y se suele hacer por métodos indirectos. Puede ser positiva o negativa aunque suele ser exotérmica. Al igual que con la energía de ionización, hablamos de 1ª, 2ª,… AE.

Es más negativa en los halógenos (crece en valor absoluto hacia la derecha del sistema periódico y en un mismo grupo hacia arriba) y suele ser positiva en gases nobles y metales alcalinotérreos.

La 2ª y posteriores AE también suelen ser positivas, pues se trata de introducir un e^– a un anión, lo que lógicamente está impedido por repulsión electrostática.

💥Electronegatividad

La electronegatividad es la fuerza, el poder de un átomo en una molécula de atraer a los electrones hacia sí mismo. También debemos considerar la distribución de densidad electrónica alrededor de un átomo determinado frente a otros distintos, tanto en una especie molecular como en sistemas o especies no moleculares.

La electronegatividad de un átomo determinado está afectada fundamentalmente por dos magnitudes: su número atómico y la distancia promedio de los electrones de valencia con respecto al núcleo atómico. Esta propiedad se ha podido correlacionar con otras propiedades atómicas y moleculares. Fue Linus Pauling el investigador que propuso esta magnitud por primera vez en el año 1932, como un desarrollo más de su teoría del enlace de valencia. La electronegatividad no se puede medir experimentalmente de manera directa como, por ejemplo, la energía de ionización, pero se puede determinar de manera indirecta efectuando cálculos a partir de otras propiedades atómicas o moleculares.

Se han propuesto distintos métodos para su determinación y aunque hay pequeñas diferencias entre los resultados obtenidos todos los métodos muestran la misma tendencia periódica entre los elementos.

El procedimiento de cálculo más común es el inicialmente propuesto por Pauling. El resultado obtenido mediante este procedimiento es un número adimensional que se incluye dentro de la escala de Pauling. Esta escala varía entre 0,65 para el elemento menos electronegativo (francio) y 4,0 para el mayor (flúor).

Escala de Pauling

ICFES TABLA PERIODICA 2024

Cuadro comparativo entre compuestos orgánicos e inorgánicos

Formulas químicas: mínima, molecular, estructural y electrónica

Niveles, Subniveles y Orbitales del Átomo:

Orbitales

Cuadro que resume los orbitales que hay en cada nivel de energía y la capacidad máxima de electrones que pueden contener los niveles y subniveles de energía.

Configuración Electrónica

Diagrama de Moeller

Siguiendo la dirección de las flechas se obtiene en orden creciente de energía la distribución electrónica:

Diagrama de Moeller

NÚMEROS CUÁNTICOS

Los números cuánticos son parámetros que describen el estado energético de un electrón y las características de un orbital.

Los números cuánticos en química llegaron a ser determinantes para lograr describir la naturaleza ondulatoria de un electrón alrededor de un átomo.

De ese modo resulta mucho más eficaz tratar a los electrones en los átomos como ondas y no como partículas compactas o pequeñas viajando en órbitas circulares o elípticas.

Como los electrones son muy pequeños y se mueven a extrema velocidad, su movimiento suele detectarse por medio de radiación electromagnética.

Los fotones (paquetes de energía) que interactúan con los electrones poseen de forma aproximada la misma energía.

En ese sentido, la interacción de un fotón con un electrón modifica el movimiento del electrón.

No es posible determinar en forma simultánea la posición y la velocidad de un electrón. Por esta razón recurrimos al enfoque estadístico.

Por lo que hablamos de la probabilidad de encontrar al electrón en regiones específicas del espacio.

Ya con esto en mente podemos tener una lista con algunas ideas principales de la mecánica cuántica.

Los números cuánticos son los números que describen la energía de los electrones en los átomos, estos resultan del tratamiento mecánico cuántico.

Los 3 primeros números cuánticos (principal, secundario, magnético) son obtenidos como consecuencia de la resolución matemática de la ecuación de onda de Schrödinger:

mientras que el cuarto número cuántico (spin magnético) lo introdujo Paul Dirac en 1928, reformulando la ecuación de onda.

A continuación vemos las características de estos números:

Número cuántico principal (n):

Representa al nivel de energía (estado estacionario de Bohr) y su valor es un número entero positivo (1, 2, 3, 4, etc) y se le asocia a la idea física del volumen del orbital.

Dicho de otra manera el número cuántico principal determina el tamaño de las órbitas, por tanto, la distancia al núcleo de un electrón vendrá determinada por este número cuántico.

Todas las órbitas con el mismo número cuántico principal forman una capa. Su valor puede ser cualquier número natural mayor que 0 (1, 2, 3...) y dependiendo de su valor, cada capa recibe como designación una letra.

Si el número cuántico principal es 1, la capa se denomina K, si 2 L, si 3 M, si 4 N, si 5 P, etc.

Número cuántico secundario (Azimutal) ℓ :

Identifica al subnivel de energía del electrón y se le asocia a la forma del orbital.

Sus valoresdependen del número cuántico principal "n", es decir, sus valores son todos los enteros entre [ 0...... (n-1) ], incluyendo al 0.

Ejemplo:si n = 4, entonces ℓ = 0, 1, 2, 3.

Dicho de otra manera, el número cuántico azimutal determina la excentricidad de la órbita, cuanto mayor sea, más excéntrica será, es decir, más aplanada será la elipse que recorre el electrón. Su valor depende del número cuántico principal n, pudiendo variar desde 0 hasta una unidad menos que éste [ 0...... (n-1) ].

Así, en la capa K, como n vale 1, ℓ sólo puede tomar el valor 0, correspondiente a una órbita circular.

En la capa M, en la que n toma el valor de 3, ℓ tomará los valores de 0, 1 y 2, el primero correspondiente a una órbita circular y los segundos a órbitas cada vez más excéntricas.

Por lo tanto, la combinación de n y ℓ describe a un orbital que es la región del espacio en la que es más probable encontrar al electrón y en la cual tiene una cantidad específica de energía. El valor que tome el número cuántico secundario (ℓ) determina el tipo de orbital:

Cuadro que resume los orbitales que hay en cada nivel de energía y la capacidad máxima de electrones que pueden contener los niveles y subniveles de energía.

Número cuántico magnético (mℓ):

Describe las orientaciones espaciales de los orbitales.

Sus valores son todos los enteros del intervalo (- ℓ....+ ℓ) incluyendo el 0.

Ejemplo: si n = 4, entonces, ℓ = [ 0...... (n-1) ] = 1,2,3 y

mℓ = (- ℓ....+ ℓ) = (- 3....+3 ) = ( -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3).

Dicho de otra manera, el número cuántico magnético determina la orientación espacial de las órbitas, de las elipses. Su valor dependerá del número de elipses existente y varía desde (- ℓ....+ ℓ), pasando por el valor 0. Así, si el valor de ℓ es 2, las órbitas podrán tener 5 orientaciones en el espacio, con los valores de mℓ: -2, -1, 0, 1 y 2. Si el número cuántico azimutal (ℓ) es 1, existen tres orientaciones posible (-1, 0 y 1), mientras que si es 0, sólo hay una posible orientación espacial, correspondiente al valor de mℓ= 0.

El conjunto de estos tres números cuánticos determinan la forma y orientación de la órbita que describe el electrón y que se denomina orbital. Según el número cuántico azimutal (ℓ), el orbital recibe un nombre distinto.

cuando ℓ = 0, se llama orbital s;

cuando ℓ = 1, se denomina orbital p,

cuando ℓ = 2 se denomina orbital d,

cuando ℓ = 3, se denomina orbital f,

cuando ℓ = 4, se denomina orbital g, y así sucesivamente.

Pero no todas las capa tienen el mismo número de orbitales, el número de orbitales depende de la capa y, por tanto, del número cuántico n :

En la capa K, como n = 1,entonces ℓ sólo puede tomar el valor 0 y mℓ también valdrá 0 , así que sólo hay un orbital s, de valores de números cuánticos (1,0,0).

En la capa M, en la que n toma el valor 3. El valor de ℓ puede ser 0, 1 y 2:

En el primer caso (ℓ = 0), mℓ tomará el valor 0, habrá un orbital s;

En el segundo caso (ℓ = 1), mℓ podrá tomar los valores -1, 0 y 1 y existirán 3 orbitales p;

En el caso final (ℓ = 2), mℓ tomará los valores -2, -1, 0, 1 y 2, por lo que hay 5 orbitales d.

En general, habrá en cada capa n² orbitales:

Si n = 1 entonces el número de orbitales es 1² = 1 : orbital s.

Si n = 2 entonces el número de orbitales es 2² = 4 : orbital s y 3 orbitales p.

Si n = 3 entonces el número de orbitales es 3² = 9 :1 orbital s, 3 orbitales p y 5 orbitales d , y así sucesivamente.

Número cuántico de espín (ms): Describe el giro del electrón en torno a su propio eje, en un movimiento de rotación. Este giro puede hacerlo sólo en dos direcciones, opuestas entre sí. Por ello, los valores que puede tomar el número cuántico de spin son -1/2 y +1/2. Dicho de otra manera, Cada electrón, en un orbital, gira sobre si mismo. Este giro puede ser en el mismo sentido que el de su movimiento orbital o en sentido contrario. Este hecho se determina mediante un nuevo número cuántico, el número cuántico de spin (ms), que puede tomar dos valores, 1/2 y -1/2.

Según el principio de exclusión de Pauli, en un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, así que en cada orbital sólo podrán colocarse dos electrones (correspondientes a los valores de (ms)