Elementos y compuestos

4 Elementos y compuestos Elementos Las sustancias puras son aquellas que se caracterizan por el hecho de que todas sus partes tienen las mismas propiedades, es decir, todas sus partículas son del mismo tipo. Son ejemplos de sustancias puras el agua, el oxígeno, los metales (hierro, aluminio, cobre...), etc. La mezcla es materia que está formada por dos o más sustancias puras. La mayor parte de la materia está formada por mezclas: el aire, las rocas, la madera, la gasolina, etc. La separación de cualquier mezcla proporciona las sustancias puras que la integran. Pero, ¿se puede dividir una sustancia pura en otras diferentes? La respuesta es afirmativa. Las sustancias que se obtienen al descomponer una sustancia pura son de dos tipos: sustancias simples o elementos y sustancias compuestas. Los elementos son las sustancias puras que ya no se pueden separar en otras más simples. Cada elemento está formado por átomos que tienen las mismas propiedades químicas. Unos elementos son sólidos, como el carbono o el hierro; otros son líquidos como el mercurio o el bromo y otros son gases como el nitrógeno y el oxígeno. Desde la antigüedad se han ido identificando los elementos que existen en la naturaleza mediante nombres derivados de alguna propiedad de los mismo, del nombre de su descubridor, etc. En la naturaleza existen 92 elementos. Las propiedades que los hacen semejantes permiten clasificarlos en metales y no metales. Los metales son sólidos a la temperatura ambiente (excepto el mercurio); reflejan la luz de una forma característica (brillo metálico); son dúctiles y maleables. Los no metales no tienen brillo metálico; pueden ser sólidos, líquidos o gases a la temperatura ambiente; no conducen la electricidad y en general, son frágiles. Clasificación de los elementos Ley de las tríadas Uno de los primeros intentos para agrupar los elementos que tienen propiedades semejantes y relacionarlo con los pesos atómicos se debe al químico alemán Döbereiner, quien en 1817 observó que el peso atómico del estroncio era aproximadamente la media entre los pesos

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Elementos y compuestos atómicos del calcio y del bario. Posteriormente (1827), tras descubrir la tríada de halógenos compuesta por el cloro, el bromo y el yodo, y la tríada de metales alcalinos (litio, sodio y potasio), propuso que en la naturaleza existían tríadas de elementos de forma que el central tenía propiedades que eran un promedio de los otros dos miembros de la tríada (la Ley de Tríadas). Tríadas de Döbereiner 1

Litio

Sodio

Potasio

2

Cloro

Bromo

Yodo

3

Calcio

Estroncio

Bario

4

Azufre

Selenio

Telurio

Ley de las Octavas En 1864 Newlands observó que al ordenar los elementos en orden creciente de sus pesos atómicos (prescindiendo del hidrógeno), el octavo elemento a partir de cualquier otro tenía unas propiedades muy similares al primero. En esta época, los llamados gases nobles no habían sido aún descubiertos. Esta ley mostraba una cierta ordenación de los elementos en familias (grupos), con propiedades muy parecidas entre sí y en Periodos, formados por ocho elementos cuyas propiedades iban variando progresivamente. Newlands llamó a estas series ley de las octavas porque simulaba la escala musical. Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenación no fue apreciada por la Sociedad Química de Londres. La tabla de Mendeleiev En síntesis consiste en disponer los elementos químicos en un cuadro en orden creciente de sus masas atómicas, observándose una analogía en sus propiedades cada cierto número de elementos. De este modo, los elementos pertenecientes a una misma familia aparecen en la misma linea horizontal. Mendeleiev demostró que los elementos con propiedades químicas semejantes aparecían periódicamente, dando lugar a ocho grupos. En algunos lugares faltaba un elemento y Mendeleiev predijo su existencia y comportamiento químico, lo que posteriormente se confirmó. La tabla periódica actual Se basa en la clasificación propuesta por Mendeleiev aunque el criterio de ordenación se 2

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Elementos y compuestos establece de izquierda a derecha, por valores crecientes de sus números atómicos Z. Además, los elementos se distribuyen en filas y columnas. Esisten y filas horizontales que se denominan períodos y 18 columnas verticales que se denominan grupos.

Como se ve, hay siete períodos o filas horizontales y dieciocho familias o grupos verticales que se caracterizan porque los elementos que constituyen un mismo grupo o familia tienen propiedades semejantes. Los grupos de los elementos se dividen en dos grandes clases: •

Elementos representativos: Son los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18 que se caracterizan por tener un nombre específico (Alcalinos, Alcalinotérreos, Térreos, Carbonoides, Nitogenoides, Anfígenos, Halógenos y Gases Nobles).

•

Elementos o metales de transición: Son los ocho grupos del 3 al 12. Dentro de esta clase hay que incluir a los elementos de transición interna formados por dos series: los lantátidos y los actínidos.

También hay una tendencia alternativa a dividir los elementos de la tabla periódica en metales (la mayor parte de elementos de la tabla periódica), semimetales (B, Si, As, Se, Sb, Te y At) y no metales (H, C, N, O, F, P, S, Cl, Br, I y los gases nobles).

Compuestos Un compuesto químico es una sustancia pura formada por átomos de distintos elementos químicos y combinados entre sí en una relación numérica sencilla y constante. Por ejemplo, el agua es un compuesto químico formado por átomos de hidrógeno y oxígeno. En la naturaleza hay átomos de elementos químicos que permanecen como tales aislados, como en el caso del gas helio, pero también hay átomos que se unen entre sí formando © AMPARO IBAÑEZ y FERNANDO MOYA para CEPA de COSLADA - NIVEL II - FÍSICA Y QUÍMICA 

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Elementos y compuestos moléculas. Una molécula está formada por la unión de varios átomos, que pueden ser del mismo o de distintos elementos químicos. Por ejemplo, el compuesto químico agua está formado por moléculas y cada molécula de agua está formada por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, de forma que en todas las moléculas de agua, la relación de combinación entre el hidrógeno y el oxígeno es siempre la misma (dos a uno). Atendiendo al número de átomos que forman una molécula, estas se clasifican en diatómicas, triatómicas, tetratómicas, etc., según estén formadas, respectivamente, por dos, tres, cuatro átomos, etc. La mayoría de los elementos químicos gaseosos, como el hidrógeno, el oxígeno o el nitrógeno, se encuentran en la naturaleza formando moléculas diatómicas, es decir, están formados por la unión de dos átomos iguales del mismo elemento químico ( hidrógeno, oxígeno o nitrógeno). En un compuesto, los átomos de los diferentes elementos que los forman se hallan unidos mediante fuerzas que se denominan enlaces químicos. Fórmulas empírica y molecular La fórmula molecular es la fórmula química que indica el número y tipo de átomos distintos presentes en la molécula. Sólo tiene sentido hablar de fórmula molecular si el elemento o el compuesto están formados por meléculas; en el caso de que se trate de cristales, se habla de su fórmula empírica. La fórmula empírica muestra la proporción entre los átomos de un compuesto químico. A veces coincide con la fórmula molecular del compuesto. Ejemplos:

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El cloruro sódico es un cristal iónico que carece de fórmula molecular. Su fórmila empírica es NaCl.

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El óxido de silicio es un cristal covalente que carece de fórmula molecular. Su fórmula empírica es SiO2.

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El butano es un compuesto molecular cuya fórmula molecular es C 4H10 y su fórmula emprírica (que muestra la proporción de átomos del compuesto) es C2H5.

Enlace químico Los átomos pueden unirse entre sí formando lo que se se llama un enlace químico. Un enlace químico no es más que la fuerza (de naturaleza electromagnética) que mantiene unidos los átomos. Los átomos se unen tendiendo a encontrar una situación de mayor estabilidad. Los gases nobles están constituidos por átomos individuales. Esto se debe a su estructura electrónica (todos tienen 8 electrones en su último nivel) que les confiere una gran estabilidad. A continuación estudiamos brevemente los principales tipos de enlaces químicos.

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Elementos y compuestos Enlace iónico Este enlace se produce cuando los átomos de los elementos metálicos (situados más a la izquierda de la tabla periódica: 1, 2 y 3) se encuentran con átomos no metálicos (situados en los periodos 16 y 17). El enlace iónico ocurre por la transferencia de electrones de un átomo de un elemento químico a otro átomo de un elemento químico distinto para formar un conjunto de iones positivos y negativos que se atraen entre sí eléctricamente. Al formarse iones de carga opuesta, éstos se atraen por fuerzas eléctricas intensas quedando fuertemente unidos y cando lugar a un compuesto iónico. Estas fuerzas eléctricas se llaman enlaces iónicos. Así, el cloruro de sodio, de fórmula NaCl, es un compuesto iónico formado por la unión de cationes Na+ y aniones Cl- . El sodio pierde transformándose en

un electrón catión sodio:

Na → Na + +1 e El cloro gana transformándose en

Cl+1 e− → Cl−

un anión

electrón cloruro:

Así en el cloruro de sodio hay una transferencia de un electrón del sodio al cloro para originar el catión sodio y el anión cloruro, que se unen fuertemente mediante las cargas eléctricas + − opuestas de los iones. De esta forma, la fórmula NaCl realmente representa: NaCl → Na +Cl Enlace covalente Este enlace se produce entre los átomos de los elementos no metálicos (períodos 14, 15, 16 y 17). Como en este caso la tendencia de los átomos a cargar electrones es semejante, los electrones se comparten entre los átomos para que quedar rodeados por 8 electrones. Este enlace no sólo se presenta en moléculas de elementos químicos, sino que también aparece en moléculas de compuestos como el agua. En general, hay dos tipos de sustancias a que da lugar este enlace:

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sustancias moleculares (formadas por moléculas) como el oxígeno, el agua, el cloruro de hidrógeno, etc.

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Elementos y compuestos •

Cristales covalentes como el diamante (donde todos los átomos se encuentran unidos en una red tridimensional).

En el enlace covalente se comparten los electrones entre los átomos unidos.

Enlace metálico Este enlace es propio de los metales en estado sólido, los cuales poseen una estructura cristalina formada por un conjunto de cationes de los átomos del metal y con los electrones externos de la corteza atómica, separados de los cationes y situados en los huecos de la estructura cristalina. En el enlace covalente, los electrones Red metálica con los cationes del metal en los nudos de la red y los compartidos del enlace están electrones libres moviéndose entre los huecos. perfectamente localizados entre los átomos que se unen, mientras que en el enlace metálico los electrones están separados de los cationes y deslocalizados, pues no pertenecen a ningún catión concreto, de forma que en la estructura los cationes metálicos están sumergidos en un mar de electrones.

Masas moleculares La masa molecular es la que corresponde a la masa de una molécula. Evidentemente, la masa de una molécula es pequeñísima, por lo que se utilizan unidades de masa atómica en lugar de gramos o quilogramos. Para determinar la masa molecular, se suman las masas de todos los átomos que constituyen la molécula. Ejemplos:

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•

Masa de O2: 2·16 u= 32 u

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Masa del NaCl: 1·23 u+1·35,5 u = 58,5 u

•

Masa del SiO2: 1·28 u+2·16 u=60 u

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