INDICE UNIDAD I FUNDAMENTOS DE QUIMICA Fundamentos de química…………………………………………………………………………………………………………15 El estudio de la química………………………………………………………………………………………………………….18 División de la química……………………………………………………………………………………………………………20 Método científico………………………………………………………………………………….……………………………..23 Lectura. Un problema intrigante……………………………………………………………………….………………………...25 Cálculos y medidas ………………………………………………………………………………………….….………………..27 Escalas de medición …………………………………………………………………………………………….……………….29 Instrumentos de medición…………………………………………………………………………………….………………….31 Escalas de temperatura…………………………………………………………………………………………………………..33 Lectura. La química, un componente importante en la educación………………………………………….……………………35 Actividad……………………………………………………………………………………………………….………………...36 MATERIA Y ENERGÍA Propiedades de la materia…………………………………………………………………………………………………….….38 Lectura. Piezas del rompecabezas de los dinosaurios………………….………………………………………………….……..44 Actividad…….…………………………………………………………………………………………….………………….….45 Elementos y compuestos……………………………..……………………………………………………...……………….…..47 Mezclas y sustancias puras……………………………………………………………………………………………………....50 Energía y cambios de energía……….…………………………………………………………………………………………...53 Lectura. Caminar sobre brasas ¿magia o ciencia?.........................................................................................................................59 Actividad……………………………………………………………………………………….……………………………..….60 UNIDAD II EL ATOMO Leyes ponderales………………………………………………………………………………………………………….……...62 Ley de la conservación de la materia……………………………………………………….……………………………………63 Ley de la conservación de la energía……………………………………………………………………………….……………64 Ley de la conservación de la masa y la energía………………………………………………………………….………………65 Lectura. Osos polares solares……………………………………………………………………………….……………………65 Ley de las proporciones constantes………………………………………………………………………………..………….….66 Ley de las proporciones múltiples………………………………………………………………………………………..………67 Ley de las proporciones equivalentes………………………………………………………………………..…………………...68 Actividad………………….………………………………………………………………………………………………….…..69 MODELOS ATOMICOS Teoría atómica de Dalton………………………………………………………………..……………………………………….71 Modelo atómico de J.J. Thompson……………………………………………..………………………………………………...73 Lectura. Tubos luminosos para anuncios, televisiones y computadoras………………………………………..………………..75 Modelo atómico de William Thompson…………………………………………………………………………………..……...75 Modelo atómico Ernest Rutherford…………………………………………………………………………………..…………..76 Actividad………………………...…………………………………………………………………………………..……….…..78 PARTICULAS SUBATOMICAS Estructura de los átomos………………………………………………………………………………………….………….…..79 Lectura. Las fuerzas básicas ………………………………………………………………….…………………………….……81 Isótopos…………………………………………………………………………………………………………….………….…82 Actividad……………………………………………………………………………………………………………………...….84 Numero atómico………………………………………………………………………………………….……………….……...86 Numero masa………………………………………………………………………….……………………………………….....87 Lectura. La historia del elemento Seaborgio………………………………………………………………………….………….87 Peso formula……………………………………………………………………….………………………………………….….88 Actividad…………………………………………………………………………………………………………………..……..90 NUMEROS CUANTICOS Configuración electrónica……………………………………………………………..…………………………………………92 Modelo atómico de Bohr………………………………………………………………………………………….….……….….96

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Modelo de mecánica ondulatoria………………………………………………………………………………….......................................…….……97 Niveles de energía ……………………………………………………………………………………………………..………..99 Lectura. Imágenes por resonancia magnética…………………………………….……………………………………..……..100 Actividad………………………………………..………………………………..…………………………………………….101 UNIDAD III TABLA PERIODICA La tabla periódica………………………………………………………………………………………………..…………..…102 Lectura. Evolución del sistema eriódico……………………………………………………………………………….………107 Periodicidad……………………………………………………………………………..……………………………….…….109 Propiedades atómicas y la tabla periódica………………………………………..……………………………………..……..116 Moléculas y compuestos………………………………………………………………………………..…………….………..118 Iones……………………………………………………………………………..……………………………………………..121 Lectura. Elementos que conforman la vida…………………………………………………………………………..…….….122 Energía de ionización…………………………………………………………………………………..…………....…..….….123 Lectura. La química dental……………………………………………………………………….…………….……..…….….126 Tamaño de los átomos……………………………………………………………….………………………………………….127 Lectura. Importancia del tamaño de los iones………………………………………………………………………………..…132 Actividad………………………………………………………………………….………………………..……………..……133 UNIDAD IV ENLACE QUIMICO Enlace químico…………………………………………………………………………………….……………………..….…135 Lectura. Recubrimientos milagrosos………………………………………………….………………………………….….…140 Estructura de Lewis…………………………………………………………………………………………………….…..…..140 Regla del octeto……………………………………………………………………………………………………….………..142 Actividad………………………………………………………………………………………………….…………...…..……145 Enlace covalente………………………………………………………………….……………………………….……….……147 Enlace metálico…………………………………………………………………………………………..…….…………….…151 Lectura. Cohetes luminosos………………………………………………………………………………………….…………155 Electronegatividad y polaridad de enlaces…………………………………………………………………..…………….……156 Fuerzas intermoleculares………………………………………………………………………………………………………..158 Enlace puente de hidrogeno…………………………………………………………………..….………………………….….159 Fuerzas de dispersión…………………………………………………………………………………………………………...162 Actividad……………………………………………………………………………………………………………………..…165 NOMENCLATURA DE COMPUESTOS BINARIOS Compuestos binarios…………………………………………………………………………………………………....………167 Óxidos básicos………………………………………………………………………………………………………....……….168 Actividad…………………………………………………………………………………………………………………….….170 Óxidos ácidos……………………………………………………………………………………………………………….…..171 Actividad………………………………………………………………………………………………………………….…….173 Hidruros…………………………………………………………………………………………………………………………174 Hidrácidos……………………………………………………………………………………………..………………….……174 Actividad…………………………………………………………………………….………………………………………....175 Sales sencillas……………………………………………………………………………………………………………….…..176 Actividad…………………………………………………………..………………………………………………….………..177 NOMENCLATURA DE COMPUESTOS TERNARIOS Oxiácidos………………………………………………………………………………………………..……………………...178 Actividad…………………………………………………………………………………………………………..……………179 Hidróxidos……………………………………………………………………………………………………………..…..……180 Oxisales………………………………………………………………………………………………………………..…..……180 Actividad…………………………………………………………………………………………………………..………..…..182 NOMENCLATURA DE COMPUESTOS CUATERNARIOS Sales acidas …………………………………………………………………………………...………………………...…..….183 Sales básicas………………………………………………………………………………………………...………………..…183 BIBLIOGRAFIA………………………….……………………………………………………………………….….………..184

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Unidad I Fundamentos de química En la actualidad, un gran interés despierta el conocimiento y la comprensión del proceso socio histórico que ha conducido al desarrollo de la ciencia, las relaciones entre la ciencia, la tecnología y la sociedad, se ha convertido en un amplio campo de estudio; de manera paradójica, en medio de los avances que supone vivir los tiempos de “la sociedad de la información”, una gran confusión se advierte cuando se pretende juzgar la responsabilidad de la ciencia en los peligros y desafíos que caracterizan nuestra época histórica y se vinculan los grandes descubrimientos científicos, casi exclusivamente con el genio de determinadas personalidades. Este libro de texto pretende aproximarnos, desde la perspectiva sociológica del enfoque histórico - cultural, al complejo panorama del desarrollo de una ciencia que ha tenido un impacto notable en los progresos de diversas ramas del quehacer humano, la química. Linus Pauling (1901-1994), laureado dos veces con el Premio Nóbel, propuso la siguiente definición: “La química es la ciencia que estudia las sustancias, su estructura, sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias”. El complejo problema de la clasificación de la ciencia ha sido pragmáticamente resuelto con la frecuente afirmación aparecida en los textos: “...tradicionalmente la química se ha subdividido en varias ramas que facilitan su estudio”. De tal modo se olvida que no está precisamente en manos de la tradición, lo que constituye reflejo de la lógica interna de la ciencia y del curso histórico de su proceso de construcción. En primer lugar, las particularidades estructurales de las sustancias químicas, exigieron su estudio en dos grandes campos: el mundo de las sustancias inorgánicas, relacionado originalmente con los minerales y que engloba todas las combinaciones posibles en las que no interviene el carbono; y el mundo orgánico, asociado a las sustancias que se presentan en los tejidos vivos y que incluye, por la singularidad estructural del carbono, a los hidrocarburos y sus derivados. Linus Pauling mereció el Premio Nóbel en dos oportunidades, el primero en 1954 por sus aportaciones en el campo de la química y en 1962 por su relevante labor a favor de la paz. La determinación de la composición y estructura de las sustancias se erige en problema del conocimiento, que configura los contenidos de la química analítica, sea en su expresión cualitativa o cuantitativa; mientras el campo de acción delimitado por las rutas que conducen a la producción de las sustancias, define la síntesis química. La combinación de las herramientas del análisis y la síntesis, cobró fuerzas en la última década del siglo XIX, y ya en el siglo XX quedó demostrado el infinito poder de este sector del conocimiento, cuando ante las demandas de la época, se edificaron estructuras que superan por sus propiedades a aquellas que se han producido por los procesos naturales. Numerosos autores han resaltado la posición central que ocupa la química en el desarrollo del conocimiento científico y cómo en el marco de su proceso de construcción surge paralelamente una integración dialéctica con otras ciencias naturales que da pie a la aparición de los ámbitos de la física-química, la bioquímica, y más recientemente la química ambiental.

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La física-química, se ocupa principalmente de las leyes y teorías que explican los cambios energéticos involucrados en las reacciones químicas, surgiendo tres áreas específicas: la termodinámica química, la electroquímica y la cinética química; la bioquímica dirige su objetivo a la explicación de los procesos vivos al nivel molecular; la química ambiental cuyos contornos se prefiguran aparece relacionada con la influencia de los agentes químicos, naturales o artificiales, en la biosfera. Surgen nuevas zonas periféricas en torno al polo de la bioquímica que delinean nuevos ámbitos como la biología molecular y la ingeniería genética; y en la frontera con el otro polo de la física-química se desarrollan las ciencias de los materiales, los procesos de ingeniería y la electrónica. El dominio de las transformaciones de las sustancias químicas ha producido un notable impacto sobre cinco áreas vitales para la sociedad contemporánea: energía, producción de alimentos, salud, transporte y comunicaciones. También es cierto, que en un mundo irracionalmente establecido, los progresos en esta ciencia han servido para el desarrollo de las mortíferas armas químicas, y han contribuido al despliegue de los problemas de contaminación ambientales, uno de los mayores desafíos que enfrenta la humanidad. Esta época, nos reclama una batalla en el campo de las ideas, en ella, la educación jugará un rol tal vez decisivo para salvaguardar los logros de la humanidad, la química podrá ser usada para el bien o para el mal. Luis Federico Leloir, premio Nóbel de Química en 1970, es un ejemplo de científico comprometido con su origen. Rechazó numerosas ofertas de ricas instituciones, que suponían ventajas materiales de todo tipo, para seguir investigando en su país, Argentina. Fritz Haber, Premio Nóbel en 1919 por la síntesis del amoníaco, contribuyó como director del Instituto Kaiser Wilhelm, durante la primera Guerra Mundial, al desarrollo de armas químicas, en vísperas de la primera utilización del gas contra las tropas aliadas en 1915, su esposa atormentada por la horrorosa contribución de su marido a la guerra se suicidó, irónicamente, con el arribo de los nazis al poder, por el origen judío de Haber, fue desplazado de la universidad y se refugió en Inglaterra. Murió poco tiempo después, en la miseria. La química tiene una importancia fundamental en la vida moderna, en los trabajos dedicados en la producción de nuevos materiales que nos hacen más fácil y segura la vida, así también, en la producción de nuevas fuentes de energía menos contaminantes y, para controlar las diferentes enfermedades que atacan al ser humano y al sector agropecuario. La química nos permite tener un conocimiento importante de nuestro entorno y su funcionamiento, ya que día con día se encuentra desarrollándose, y de una u otra forma, afecta nuestra actividad cotidiana, la química es una ciencia eminentemente practica que presenta una enorme influencia en nuestras vidas; de hecho es el centro de cuestionamientos a nivel mundial como el mejoramiento de la atención medica, la conservación de recursos naturales, la protección del entorno, la satisfacción de necesidades diarias en cuanto a alimento, vestido y casa. Todo lo que se encuentra a nuestro alrededor presenta alguna aplicación química; ¿de que están fabricados nuestros alimentos? ¿Cuál es la forma de que estos actúan en nuestro cuerpo? ¿De que se encuentran formados todos los artículos que usamos en nuestra casa? Con la química el hombre a descubierto nuevos fármacos que fortalecen la salud, incrementando la producción de alimentos, se han creado plásticos y otros materiales los cuales utilizamos en casi todo en nuestra vida

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diaria. Aunque en la carrera profesional no se requiera la aplicación diaria de principios químicos, esta ciencia siempre influirá en nuestra vida diaria. Actualmente en nuestra sociedad se hace necesario tener algunos conocimientos básicos de química, esto, debido a que muchas de las sustancias de uso común debemos de tener un manejo adecuado de ellas, ya que podemos dañar nuestra salud ya que todos los excesos son malos, por ejemplo: la comida enlatada contiene conservadores, los cuales en exceso pueden causarnos perjuicios s la salud, así mismo el tabaquismo y las bebidas de graduación alcohólica. De la misma manera, ocasionamos daños a nuestro ecosistema al tirar en exceso contaminantes al medio ambiente, ya sea a la atmósfera, ríos o bien a la superficie terrestre ocasionando con esto múltiples daños a la vida animal y vegetal. La química conlleva a estudiar las características de la materia, la cual es el material físico del universo, es decir, es cualquier cosa que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio; un libro, un insecto, alimentos son ejemplos de materia. En el planeta existen una gran variedad de formas de materia y esta se debe a las combinaciones de un poco más de 100 elementos. La química además nos proporciona información para comprender las propiedades y características de la materia en términos de átomos, los cuales son considerados como los bloques de construcción de la materia; sabemos que cada elemento se encuentra conformado por una sola clase de átomos y conoceremos como es que las características de la materia se encuentran relacionadas no solamente con la clase de átomos que contienen, es decir su composición, sino también en la forma en que se encuentran organizados dichos átomos, es decir su estructura. La combinación de átomos origina una molécula, en la que dos o mas átomos se unen en estructuras especificas las cuales les otorgan características distintivas a cada molécula; uno de los retos que enfrentan actualmente los científicos es el de poder producir moléculas de manera controlada, creando nuevas sustancias con diferentes propiedades. La química nos permite comprender el funcionamiento de nuestro entorno, es una ciencia eminentemente práctica que influye de manera enorme en nuestra vida cotidiana. Esta ciencia, se encuentra ubicada en el centro de muchas cuestiones que preocupan a casi todo el mundo, como por ejemplo, las mejoras en la atención médica, la conservación de los recursos naturales, la protección del medio ambiente, y la producción de alimento. Con el auxilio de la química, se han descubierto sustancias médicas que fortalecen nuestra salud, se ha logrado incrementar la producción de alimentos, se fabrican plásticos que se utilizan en casi todas las facetas de nuestra vida. De manera desafortunada podemos observar que algunos productos químicos pueden ser causantes de daños en nuestra salud o el medio ambiente, por lo que es conveniente entender los efectos ya sea positivo o negativo que las sustancias químicas tienen sobre nuestra vida cotidiana.

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El estudio de la química Podemos definir a la química como la ciencia que estudia los materiales del universo y los cambios que estos experimentan. Al estudiar química, aprenderemos a utilizar el lenguaje usado para describir y entender la materia; el lenguaje químico es un lenguaje científico universal utilizado de manera amplia en otras disciplinas. Los químicos llevan a cabo actividades diversas como examinar partículas fundamentales de la materia, localizar moléculas en el espacio, fabricación de nuevos materiales de toda clase, usar bacterias para producir algunos productos, por ejemplo la insulina, el cual es un medicamento usado para controlar la diabetes, así como inventar nuevos métodos para diagnosticar enfermedades. Además al entender el comportamiento de los átomos nos permite comprender de mejor manera la tecnología y la ingeniería moderna, es por eso, que suele conocerse a la química como: la ciencia central, ya que la mayoría de los fenómenos que pasan en nuestro entorno cotidiano, se llevan a cabo por medio de cambios químicos, es decir, cambios en los que un material se transforma en otro muy distinto, por ejemplo: ƒ ƒ ƒ ƒ

La madera se quema en la atmósfera formando agua, dióxido de carbono y otras sustancias Las plantas crecen al juntar sustancias sencillas y formar sustancias mas complejas El acero de los automóviles se oxida Para hacer un pastel se requiere mezclar huevos, harina, azúcar y polvo de hornear y proceder a hornear la mezcla ƒ El jugo de uva fermenta y forma vino ƒ Las emisiones producidas por las plantas generadoras de energía producen la formación de lluvia acida ƒ Otros ejemplos de cambios químicos son: la oxidación, la reducción,, la fermentación, la digestión, la respiración, así como la descomposición de la materia orgánica Desafortunadamente, algunos productos químicos puedan causar daños a nuestra salud o al medio ambiente, por lo tanto, es conveniente que como ciudadanos entendamos los profundos efectos, tanto positivos como negativos, que tienen las sustancias químicas sobre nuestra vida, por lo que debemos encontrar un punto de equilibrio sobre su uso. Seguramente los lectores de este libro se encuentran estudiando química no para satisfacer su curiosidad o bien convertirse en consumidores mas informados, sino porque es una asignatura obligatoria del plan de estudios; la carrera que se encuentran estudiando podrá ser de electrónica, producción, mantenimiento, turismo, entre otras. ¿Entonces porqué ramas tan diversas tienen un vínculo especial con la química? Podemos decir entonces que es debido a que esta materia es la ciencia central debido a su misma naturaleza. Ya que debido a nuestras interacciones con el mundo material, surgen interrogantes fundamentales sobre los materiales que se encuentran rodeándonos. ¿Cuáles son sus propiedades? ¿De que materiales se forman? ¿Cómo interactúan con el entorno inmediato? ¿Como se transforman? ¿Cuándo cambian?

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Estas y otras muchas preguntas son muy importantes, ya sea que el material forme parte de un procesador de computadora, un colorante de algún pintor antiguo, o bien, el ADN que transmite información genética en un ser vivo. La química nos proporciona estas respuestas, así como a una cantidad muy grande de otras preguntas.

La mayoría de las personas contamos con muchos productos químicos de tipo casero, los cuales son de uso común, pero solo algunos cuantos nos damos cuenta de lo importante que es la industria química; las ventas a nivel mundial de productos químicos, se estiman en mas de 400,000 millones de dólares anuales, la industria química proporciona trabajo a mas del 10% de todos los científicos e ingenieros por lo que contribuye de manera importante en la economía mundial. Cada año se producen grandes cantidades de productos químicos, los cuales sirven como materia prima en la fabricación de diversos materiales, ya sea plástico, metal, fertilizantes, medicamentos, pinturas, combustibles, pegamentos, y muchos productos mas.

Aquellas personas que cuentan con estudios de química cubren diversos puestos en la industria, el gobierno y las instituciones de educación. Aquellos que traban en la industria química encuentran acomodo como químicos de laboratorio, llevando a cabo experimentos con el fin de desarrollar nuevos productos, o bien analizando materiales o auxiliando a los clientes a utilizar los productos. Algunos otros con más experiencia o capacitación pueden trabajar como gerentes de empresas; así mismo existen carreras alternas para las que la química puede servir como preparación: estas son la docencia, medicina, informática, ecología, ventas, gobierno, solo por mencionar algunos. 19

Sustancia Acido sulfúrico Nitrógeno Oxígeno Etileno Cal viva Amoniaco Propileno Acido fosfórico Cloro Hidróxido de sodio

Principales productos químicos industriales Formula Kilos Uso principal (miles de millones) H2SO4 N2 O2 C2H4 CaO NH3 C3H6 H3PO4 Cl2 NaOH

39.5 36.8 25.0 25.0 20.0 16.3 14.5 11.8 11.8 10.9

Fertilizantes Fertilizantes Acero, soldadura Plásticos, anticongelante Papel, cemento, acero Fertilizantes Plásticos Fertilizantes Blanqueadores, purificación de agua Producción de aluminio, jabón

División de la química Como ya se menciono con anterioridad, la ciencia que se encarga del estudio de la composición y estructura de la materia, los cambios que se dan en ésta, la cantidad y tipo de energía para llevar a cabo dichos cambios y las leyes y teorías que los explican, es la química. Es decir, la química es la ciencia que estudia las transformaciones de la materia y la energía; los fundamentos de la química consisten en comprender como hechos tan aislados se pueden llegar a combinar para dar base a importantes ideas y teorías, lo cual nos lleva al descubrimiento de nuevos hechos y nuevas leyes científicas que conforman el maravilloso mundo de la química El campo de estudio de la química es muy extenso y no es posible comprenderlo a profundidad en su totalidad, por lo que de forma general comúnmente se divide en inorgánica y orgánica las cuales a su vez se subdividen de la siguiente forma:

Química general

Fisicoquímica

Bioquímica Geoquímica Química nuclear Radioquímica Química cuantica

Clasificación Química descriptiva

Inorgánica o mineral

Metales No metales

Orgánica o del carbono

Cíclica Aciclica

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La química general es aquella que se encarga del estudio de los principios fundamentales relacionados con la formación y características de los cuerpos. La fisicoquímica estudia el equilibrio y la termodinámica de las reacciones químicas, la estructura de las moléculas. La química inorgánica se encarga de estudiar las características de todos los elementos y compuestos con excepción del carbono. La química orgánica se encarga del estudio de los compuestos del carbono, es decir es la responsable de la transformación de materia prima para la fabricación de combustibles, alimentos, ropa, fibras, plástico, etc. La química analítica trata del desarrollo de métodos exactos para llevar a cabo análisis en la composición química de los elementos, compuestos y mezclas, este análisis pueden ser de tipo cualitativo, para determinar que tipo de sustancia conforman un determinado compuesto; o bien de tipo cuantitativo, para precisar la proporción en que interviene cada sustancia. La química se encuentra relacionada con otras ciencias ya que su principal objeto de estudio es la materia, la energía y los cambios que estas sufren, por lo tanto, todo el universo se encuentra dentro de su objeto de estudio. Es así, que se complementa de las matemáticas en la determinación de cálculos y medidas por medio de números y símbolos; con la física, se comparte mucho espacio por lo que se subdivide en varias ramas. La química nuclear, es aquella que estudias las reacciones de los átomos cuando implican cambios en la estructura del núcleo del mismo; la radioquímica estudia la propagación de la energía, por medio de ondas electromagnéticas; la química cuantica, se encarga del estudio del movimiento de las partículas atómicas (electrones). La bioquímica se refiere al estudio del comportamiento químico de los organismos vivos; la geografía, estudia los fenómenos físicos, químicos, biológicos y sociales, desde la perspectiva de su distribución en el planeta. Al relacionar las ciencias físicas con las ciencias naturales podemos comprender entonces la gran cantidad de cambios físicos, químicos y biológicos que suceden en nuestro entorno; al ser todo materia y energía, resulta de manera importante para la química, la naturaleza es el laboratorio químico mas grande y los cambios mas increíbles están en los organismos vivos: las plantas y los animales. La ingeniería aplica en todas sus ramas las leyes de la física y de la química para proporcionar soluciones a problemas de aplicación practica y determinar las técnicas para realizarlas, el desarrollo de la industria obligo a los científicos a llevar a cabo asociaciones entre factores económicos y técnicos, originando de esta manera la ingeniería química En épocas antiguas, los llamados alquimistas no daban a conocer el resultado de sus investigaciones, sin embargo, los químicos de la actualidad difunden todos sus descubrimientos, y así se comprueban teorías formuladas y se logra la obtención de nuevos conocimientos. Al relacionar las ciencias físicas con las naturales, se logra comprender el gran número de cambios físicos, químicos y biológicos que suceden en la naturaleza. Al ser todo lo que existe materia y energía, resulta ser de gran importancia para el estudio de la química; la naturaleza es considerada el mejor laboratorio químico y los cambios más extraordinarios los podemos ver en los seres vivos.

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La química es una de las ciencias más necesarias para estudiar y resolver algunos de los mas apremiantes problemas a los que se encuentra enfrentándose el ser humano, por ejemplo, la contaminación, la cual se origina por efecto de fenómenos químicos, y tendrá que resolverse así mismo por métodos químicos. La nutrición es otro de los problemas que deben de resolverse, la solución vendrá de la bioquímica, la cual permitirá mejorar las técnicas de fertilización, así como de la ingeniería agropecuaria al optimizar las técnicas de cultivo y la cría de ganado rico en nutrientes. Conforme el ser humano a ido avanzando en su conocimiento, la ciencia química ha venido desarrollándose cada ves mas para resolver problemas de la humanidad con respecto a, alimentación, medicamentos, ropa y un lugar para habitar; de esta manera, el hombre logro descubrir los componentes que requería para la conservación de los alimentos, entre los cuales tenemos: antioxidantes, los cuales logran retrazar la descomposición de las bacterias, por ejemplo: el acido ascórbico, acido fosfórico. Así mismo, los compuestos denominados preservadores, por ejemplo, benzoato de sodio, acido láctico, acido benzoico. También se logro descubrir algunos compuestos saborizantes, por ejemplo: sal de mesa, la cual incrementa el sabor, y algunos endulzantes como la sacarina y el aspartame. Así mismo, el hombre encontró la manera de hacer más durables las prendas de vestir al usar mezclas de polímeros, también al utilizar lana natural, logro producir ropa más durable y calida para usarla en climas muy fríos. En cuanto a un lugar donde habitar, el conocimiento del ser humano lo llevo a aplicar sustancias para incrementar la resistencia de sus construcciones, lo anterior se logro aportando sustancias denominadas silicatos al producto llamado cemento. En relación a la actividad medica, el desarrollo de nuevas generaciones de medicamentos como: vacunas, antipiréticos, antihistamínicos, antibióticos, etc. aporto grandes beneficios para la humanidad. Para todas las personas es evidente la gran cantidad de progreso que nos ha proporcionado la ciencia química, la cual se encuentra ocupando actualmente, uno de los principales lugares en la enseñanza de los países mas desarrollados; sin la química, nos resultaría muy poco comprensibles la telefonía, telegrafía, minería, acuacultura, medicina, higiene, insecticidas, etc., en la química, encuentran su base una gran cantidad de industrias, tales como las fabricantes de plásticos, productos metálicos, pinturas, fertilizantes, etc. Es por lo tanto, que la importancia de la química no solo se debe a su estrecha relación con las demás ciencias, sino también, en las posibilidades para resolver algunos de los problemas mas graves del planeta. Pero además, debemos de tener en cuenta que el estudio de una disciplina científica entrena a nuestra mente en el planteamiento correcto de cualquier clase de problemas, y a buscar de forma metódica y racional, una solución. Debido a la relación de la química con casi todas las ramas de la ciencia, por abordar problemas concretos y cotidianos y por ser una excelente disciplina mental, el estudio de la química es fundamentalmente necesario.

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Método científico Al hacer mención del termino “ciencia” nos estamos refiriendo a una combinación de hechos, teorías, procedimientos y actividades para llegar a descubrir nuevos cambios, y con esto, llegar a establecer información que nos lleve a logar la confirmación del conocimiento; esto es posible, gracias al arduo trabajo de gran cantidad de investigadores, los cuales nos dan a conocer lo que hasta hace muy poco tiempo, era desconocido; aun así, los nuevos descubrimientos del ser humano en la época moderna, se fundamentan en las investigaciones llevadas a cabo por sus predecesores. Los actuales conocimientos del mundo en que habitamos, se han logrado a través de mucho tiempo, de manera inicial, se siguieron algunos procedimientos de tipo primitivo, los cuales estaban basados en las necesidades básicas del hombre de esa época, el cual requería conocer algunas de las propiedades de los materiales que utilizaba cotidianamente; dichos experimentos los llevo a cabo basados en la practica y la experiencia, es decir, en el conocimiento empírico el cual se adquiere mediante la observación, imitación y la experimentación de manera personal, no contando con teorías ni conocimiento previo del problema; por ejemplo, sabemos que un pedazo de madera se quema al entrar en combustión, al probar el agua comprobamos su sabor, y en base a nuestra experiencia sabemos los diferentes usos que le damos al agua, percibimos algunas características y cualidades de la materia que nos rodea, esto mediante nuestros sentidos, sin razonamiento alguno, nos acostumbramos a dichas características por medio de la practica y la experiencia. El conocimiento de tipo empírico no nos otorga una explicación de la razón por la cual sucede determinado suceso; para logar esto, debemos de aplicar el proceso denominado método científico El estudio de la ciencia se da dentro de un marco de trabajo en donde se recaban y organizan conocimientos, no es solamente un conjunto de situaciones sino que constituye un plan de acción, un procedimiento para procesar y comprender la información recabada. La parte central dentro de un proceso de investigación científica se conoce con el nombre de método científico y consta de los siguientes pasos: ƒ Llevar a cabo observaciones que pueden ser cualitativas o bien cuantitativas ƒ Formular una hipótesis, la cual es una explicación posible del fenómeno observado ƒ Llevar a cabo experimentos los cuales son procedimientos para probar la hipótesis y nos permite obtener nueva información para decidir si nuestra hipótesis es o no correcta Por lo tanto, podemos decir que el método científico es el orden, la regla, la norma o el procedimiento para llegar a integrar hechos y verdades científicas como para llegar a obtenerlas. Se hace necesario repetir varias veces los pasos del método científico para explicar el comportamiento de alguna determinada parte de la naturaleza, de forma gradual se van acumulando los conocimientos necesarios hasta llegar a comprender lo ocurrido. Ya que podemos tener varias hipótesis que concuerdan con varias observaciones se integran como una teoría a la que también se le llega a llamar modelo. La teoría o modelo es por lo tanto un conjunto de hipótesis comprobadas, que nos proporciona una explicación general con respecto a alguna parte de la naturaleza.

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No debemos de confundir las observaciones y las teorías, la primera es algo que se presencia y puede registrarse, una teoría es una manera de interpretar, es decir es una explicación posible de por que esta sucediendo determinado fenómeno en la naturaleza; una teoría cambia al paso del tiempo al disponer los científicos de mayor información, por ejemplo el movimiento del sol a permanecido casi igual por miles de años, pero las explicaciones de este fenómeno (teoría) han estado variando de forma considerable desde la antigüedad. La teoría es en realidad una suposición por lo que se hace preciso llevar a cabo mas experimentos con el fin de actualizar dichas teorías, esto para lograr sea más coherente con los nuevos conocimientos. Es de suma importancia el que no dejemos de formular preguntas solamente porque se haya formulado una teoría que parezca explicar de manera satisfactoria algún aspecto del comportamiento natural; se hace preciso continuar con la experimentación parta refinar las teorías. Debemos de tener siempre presente, que las teorías son invenciones del ser humano y conforman un intento de explicarnos un determinado comportamiento de la naturaleza, es decir, una teoría en realidad es una suposición, por lo tanto, es necesario continuar experimentando para así refinar la teoría con lo que estas serán mas coherentes con los nuevos descubrimientos si deseamos alcanzar a comprender la naturaleza de manera mas completa. Con frecuencia el comportamiento que se observa en general nos permite la propuesta de enunciados llamados leyes naturales; por ejemplo, la observación de que el peso total de los materiales no se afecta por los cambios químicos ocurridos se llama ley de la conservación de la masa. Debemos de comprender la diferencia entre una ley y una teoría; la ley es un resumen de un comportamiento observado, la ley dice lo que esta pasando, la teoría es una manera de intentar explicar por que ocurre.

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Lectura Un problema intrigante Con el objetivo de ejemplificar la manera en que la ciencia nos auxilia a resolver problemas, a continuación se narra una historia real sobre una pareja, David y Susana. Hace aproximadamente 15 años, los dos eran personas saludables que vivían en el estado de California E.U.A., en donde David trabajaba en el ejército. Con el tiempo Susana se enfermo de manera gradual presentando síntomas muy parecidos a la gripe, los cuales incluían nauseas y dolores musculares, inclusive, su manera de ser, se torno muy gruñona, es decir, se transformo en una persona muy distinta de la mujer saludable y feliz de pocos meses atrás. Atendiendo las instrucciones de su medico, tomaba mucho reposo e ingería grandes cantidades de líquidos (café, jugo de naranja) en su tarro favorito, el cual formaba parte de una vajilla de 200 piezas de cerámica italiana, adquirida en su ultimo viaje a ese país. Pero sin embargo se seguía sintiendo muy mal y empezó a presentar fuertes calambres abdominales así como una anemia muy fuerte… . Durante todo este tiempo, su esposo David también se enfermo y tenía síntomas iguales a los de Susana (perdida de peso, dolor muy fuerte en brazos y espalda así como estallidos de ira). Esta …… …………………………………………...… afección se torno tan grave que solicito su jubilación adelantada al ejército, y la pareja se cambio de hogar a la ciudad de Seattle. Durante algún tiempo su salud mejoro un poco, pero para cuando terminaron de desempacar sus cosas su salud empeoro de nuevo. El cuerpo de Susana se hizo tan sensible que no soportaba ni una sabana; estaba a punto de morir. ¿Qué le ocurría? Los doctores no lo sabían, pero uno de ellos sugirió la posibilidad de una enfermedad denominada Porfirio, la cual es una afección muy rara en la sangre. Desesperado David comenzó a investigar todo la bibliografía relacionada con dicha enfermedad, y cierto día cuando estaba leyendo sobre la porfiria una frase le llamo la atención: “el envenenamiento con plomo en ocasiones puede confundirse con la porfiria” ¿Existiría la posibilidad de que el y su esposa estuvieran envenenados con plomo?..........Hasta aquí hemos descrito un problema muy grave capaz de poner en peligro la vida de una persona. ¿Qué hizo David al respecto? En lugar de llamar por teléfono al medico para discutir la posibilidad del envenenamiento con plomo, ¿podría resolver por si mismo el problema usando el método científico? A continuación se procederá a aplicar los tres pasos del método científico descritos anteriormente para resolver el problema, una parte a la vez. Esto es importante ya que de manera general debemos de resolver los problemas muy complejos descomponiéndolos en partes más manejables obteniendo a continuación la solución general del problema usando las respuestas de las diferentes partes. En este caso existen muchas partes del problema general: ¿De que enfermedad se trata? ¿Qué la produce? ¿Cómo se cura? En primer lugar, se intentara conocer de cual enfermedad se trata… Observación: David y Susana están enfermos y presentan síntomas ya descritos ¿Será posible que tengan envenenamiento con plomo? .......................... Hipótesis: La enfermedad es envenenamiento con plomo…… …………… ………… Experimento: Si la enfermedad es envenenamiento con plomo los síntomas deben de ser similares a los que caracterizan a dicha enfermedad. Hay que localizar los síntomas de la enfermedad. David hizo lo anterior y observo que eran casi exactamente iguales a los síntomas que presentaban… ……

…

……………

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Este descubrimiento indica la probabilidad de que el problema sea entonces envenenamiento con plomo, pero David necesita mas evidencia Observación: El envenenamiento con plomo se debe a altos niveles de ese metal en la sangre…… Hipótesis: La pareja tiene altos niveles de plomo en la sangre Experimento: Llevar a cabo un análisis de sangre. Los resultados obtenidos mostraron altos niveles de plomo en el torrente sanguíneo de la pareja Lo anterior confirma que el envenenamiento con plomo probablemente sea la causa del problema, aunque aun no se haya resuelto; es probable que David y Susana mueran a menos que puedan conocer la fuente de envenenamiento con plomo. Observación: Hay plomo en la sangre de la pareja. Hipótesis: El plomo se encuentra en los alimentos o bebidas que consumen Experimento: Determinar si las demás personas que consumen alimentos en la misma tienda están enfermas (ninguna presento los síntomas). Así mismo observar que el cambio de ciudad no resolvió el problema Observación: Los alimentos que compran están libres de plomo Hipótesis: Los platos que utilizan son la fuente del envenenamiento con plomo Experimento: Determinar si los platos contienen plomo. David y Susana encontraron que frecuentemente los fabricantes usan un compuesto de plomo para dar un acabado brillante a la cerámica. Un análisis de laboratorio de los platos italianos de cerámica, demostró que el esmalte contenía plomo Observación: Hay plomo en los platos, por lo tanto estos son una fuente probable de envenenamiento…… Hipótesis: el plomo se transfiere a los alimentos Experimento: Colocar alguna bebida en una de las tazas, y analizar para determinar el contenido del metal. Los resultados demostraron altos niveles de plomo en la bebida que estaban en contacto con las tazas de cerámica Después de aplicar el método científico en repetidas ocasiones, se resolvió el problema. Podemos resumir la respuesta a dicho problema como sigue: La cerámica italiana que usaron para comer a diario contenía barniz con plomo que contamino sus alimentos y bebidas; dicho plomo se acumulo en su cuerpo hasta que interfirió de manera grave con el funcionamiento normal produciendo síntomas graves. Esta explicación general que resume las diversas hipótesis que concuerdan con los resultados experimentales en el campo científico se denomina teoría. En las teorías se explican los resultados de todos los experimentos llevados a cabo. ..

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Cálculos y medidas Al llevar a cabo observaciones, estas pueden ser del tipo cualitativo (se refieren a una cualidad) o del tipo cuantitativo ( se refieren a una cantidad), las observaciones cuantitativas son llamadas mediciones y estas siempre constan de dos partes, un numero y una unidad, las cuales se requieren de manera indispensable para que la medición tenga significado, por ejemplo: si una persona nos dice que miro un insecto de tamaño 5, esto no tiene significado como tal ¿cinco que?, si son 5 milímetros, era un animal muy pequeño, si son 5 centímetros, entonces era uno bastante grande, pero si era de 5 metros, cuidado porque en un descuido nos come. Muchas propiedades de la materia son cuantitativas, es decir se encuentran asociadas a números, cuando un número representa una cantidad medida, siempre debemos especificar las unidades de esa cantidad. La unidad una medición nos indica que escala se utiliza para representar los resultados, desde principios de la civilización el hombre a utilizado unidades comunes para el comercio, por ejemplo si un agricultor deseaba cambiar algo de su grano por oro de un minero, los dos requerían una unidad estándar común para medir la cantidad de grano y el peso del oro. El sistema métrico fue desarrollado de manera inicial en Francia, a fines del siglo XVIII, se usa como sistema de medición en casi todos los países del mundo. En los Estados Unidos se ha utilizado de manera tradicional el sistema ingles, aunque el empleo del sistema métrico se ha hecho más común durante los últimos años; por ejemplo, el contenido de casi todos los productos envasados, ya se da en unidades tanto métricas como inglesas. Entre la comunidad científica surgió también la necesidad de unidades comunes que miden cantidades como masa, longitud, tiempo, temperatura, los dos sistemas mas utilizados en el mundo son el sistema ingles y el métrico. A partir de 1960 por medio de un convenio internacional se decide utilizar un sistema llamado sistema internacional, en el cual sus unidades están basadas en el sistema métrico. Durante el año de 1960 se acordó a nivel internacional que las unidades métricas serian las que se utilizarían en las mediciones de tipo científico, y dichas unidades se denominarían unidades del Sistema Internacional de medidas (SI). Este sistema consta de siete unidades fundamentales de las cuales se derivan todas las demás. Unidades fundamentales del sistema internacional Cantidad física Nombre Abreviatura Masa Longitud Tiempo Temperatura Cantidad de sustancia Corriente eléctrica Intensidad luminosa

Kilogramo Metro Segundo Kelvin Mol Ampere Candela

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Kg m s K mol A cd

La unidad de longitud en el Sistema Internacional (SI) es el metro, el cual es un poco mas largo que una yarda (1 yarda = 91.4 centímetros), así mismo una pulgada es igual a 2.54 centímetros. El volumen es la cantidad de espacio que ocupa una sustancia y la unidad de volumen esta en base a un cubo de 1 metro por cada lado (alto, largo, ancho) por lo que para calcular el volumen solo debemos de multiplicar sus tres lados: 1m x 1m x 1m = 1m3 El volumen también se puede medir en litros (L) el cual tiene una equivalencia de 1dm3, un litro a su vez contiene 1,000 mililitros (ml) La masa es la cantidad de materia presente en una sustancia y se mide en kilogramos (Kg.), el cual es aproximadamente 2.2 libras (lb) en el laboratorio podemos determinar la masa de un objeto por medio de una balanza.

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Escalas de medición Todo problema de investigación científica, aún el más abstracto, implica de algún modo una tarea de medición de los conceptos que intervienen en el mismo, porque si tratamos con objetos como una especie vegetal o un comportamiento humano nos veremos obligados, ya sea a describir sus características o a relacionarse, éstas con otras con las que pueden estar conectadas: en todo caso tendremos que utilizar determinadas variables (tamaño, tipo de flor, semilla, o las variables que definan el comportamiento de estudio) y, tendremos que encontrar el valor que éstas asumen en el caso estudiado; en eso consiste, desde el punto de vista lógico más general, la tarea de medir. La idea de medición, de medida, es intrínsicamente comparativa, medir algo, en el caso más sencillo, es determinar cuantas veces una cierta unidad o patrón de medida, cabe en el objeto a medir, para medir la longitud de un objeto físico nosotros desplazamos una regla o cinta graduada sobre el mismo, observando cuantas unidades (en este caso centímetros o metros) abarca el objeto en cuestión, es decir, que comparamos el objeto con nuestro patrón de medición para determinar cuántas unidades y fracciones del mismo incluye. La medición de variables no físicas resulta, en esencia, un proceso idéntico al anterior, la dificultad reside en que las variables de este tipo, no pueden medirse con escalas tan sencillas como las lineales y, en que por otra parte, no existen para su comparación, patrones de medida universalmente definidos y aceptados; si deseamos medir el peso de un objeto podremos expresar el valor del mismo en kilogramos, libras o cualquier unidad que, de todas maneras, tiene un equivalente fijo y constante con las otras que utilizan. En cambio para medir el grado de autoritarismo de un dirigente no existe ni una unidad ni una escala generalmente reconocidas, por lo que el investigador se ve obligado a elegir alguna escala de las que se han utilizado en otros trabajos o bien, lo que es bastante frecuente, a construir una, adaptada a sus necesidades específicas; además, resulta evidente, que el grado de autoritarismo no es una variable simple, como el peso y la longitud, sino una resultante compleja de una multitud de acciones y actitudes parciales. Por esta razón, medir un concepto complejo implica realizar una serie de operaciones que no tienen lugar en el caso de variables como el peso o la longitud; será necesario definir las dimensiones que integran la variable, encontrar indicadores diversos que la reflejen y construir luego una escala apropiada para el caso. Una escala puede concebirse como un continuo de valores ordenados correlativamente que admite un punto inicial y otro final. Si evaluamos el rendimiento académico de estudiantes podemos asignar el valor cero al mínimo rendimiento imaginable al respecto; al mayor rendimiento posible podemos atribuirle un valor de 100, 20, 10 o 7 puntos, según resulte más práctico. Con estos dos valores tendríamos ya marcados los límites de nuestra escala; para concluir de confeccionarla será necesario asignar a los posibles rendimientos intermedios puntajes también intermedios. Con ello obtendremos una escala capaz de medir la variable rendimiento académico a través de

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los indicadores concretos de los trabajos presentados por los estudiantes, de sus exámenes, pruebas y otras formas de evaluación posibles. Para que una escala pueda considerarse como capaz de aportar información objetiva debe reunir los dos siguiente requisitos básicos: ƒ Confiabilidad: se refiere a la consistencia interior de la misma, a su capacidad para discriminar en forma constante entre un valor y otro, se puede confiar en una escala cuando produzca constantemente los mismos resultados al aplicarla a una misma muestra, es decir, cuando siempre los mismos objetos aparezcan valorados en la misma forma. ƒ Validez: indica la capacidad de la escala para medir las cualidades para las cuales ha sido construida y no otras parecidas. Una escala confusa no puede tener validez, lo mismo que en una escala que esté midiendo, a la vez e indiscriminadamente, distintas variables superpuestas, una escala tiene validez cuando verdaderamente mide lo que afirma medir. Existen diferentes tipos de escalas que se distinguen de acuerdo a la rigurosidad con que han sido construidas y al propio comportamiento de las variables que miden, se acostumbra a clasificarlas en cuatro tipos generales que son los siguientes: escalas nominales, ordinales, de intervalos iguales y de cocientes o razones. Escalas nominales son aquellas en que sólo se manifiesta una equivalencia de categorías entre los diferentes puntos que asume la variable, es como una simple lista de las diferentes posiciones que pueda adoptar la variable, pero sin que en ella se defina ningún tipo de orden o de relación, si es una investigación sobre producción agrícola queremos determinar los cereales que se cultivan en una cierta región, tendremos una variable que se designará como "cereal cultivado"; los distintos valores que esa variable reconoce serán, concretamente: trigo, maíz, centeno, etc. Entre estos valores no cabe obviamente ninguna jerarquía, no se puede trazar ningún ordenamiento, sin embargo, a la enunciación explícita de todas estas posibilidades la consideramos como una escala, pues de algún modo, es útil para medir el comportamiento de la variable, indicándonos en que posición se halla en cada caso. Las escalas ordinales distinguen los diferentes valores de la variable jerarquizándolos simplemente de acuerdo a un rango, establecen que existe una graduación entre uno y otro valor de la escala, de tal modo, que cualquiera de ellos es mayor que el precedente y menor que el que le sigue a continuación. Sin embargo, la distancia entre un valor y otro no queda definida sino que es indeterminada, en otras palabras, tales escalas nos esclarecen solamente el rango que las distintas posiciones guardan entre sí. Un ejemplo de escala ordinal es el que suele usarse para medir la variable "grado de escolaridad": podemos decir que una persona que ha tenido 2 años de instrucción escolar ha recibido más instrucción que quien solo tiene un año y menos que quien posee tres; sin embargo, no puede afirmarse válidamente que la diferencia entre quien posee 2 años de instrucción y quien ha recibido un año es igual a la diferencia entre quienes han recibido 16 y 17años de educación formal. Por tanto, como no podemos determinar la equivalencia entre las distancias que separan un valor de otro, debemos concluir que la escala pertenece a la categoría ordinal. Las escalas de intervalos iguales, además de poseer la equivalencia de categorías y el ordenamiento interno entre ellas, como en el caso de las ordinales, tienen la45características de que la distancia entre sus intervalos está claramente determinada y que estos son iguales entre sí. Un ejemplo típico de las escalas de intervalos iguales esta dado por las escalas termométricas, entre 23 y 24 grados centígrados, por ejemplo, existe la misma diferencia que hay entre 45 y 46 grados. Muchas otras escalas, como las que se 30

utilizan en los exámenes psicológicos y de rendimiento, pertenecen a este tipo. La limitación que tienen, es que no definen un cero absoluto, un valor límite que exprese realmente la ausencia completa de la cualidad medida. Por ello, no se pueden establecer equivalencias matemáticas como las de la proporcionalidad: no puede afirmarse que 24° C es el doble de temperatura que 12° C, porque el cero de la escala es un valor arbitrario y no se corresponde con la ausencia absoluta de la variable que se mide. Por último, tenemos las escalas de cocientes, llamadas también de razones, en éstas se conservan todas las propiedades de los casos anteriores, pero además, se añade la existencia de un valor cero real, con lo que se hacen posibles ciertas operaciones matemáticas, tales como la obtención de proporciones y cocientes. Esto quiere decir que un valor de 20, en una escala de este tipo es el doble de un valor de 10, o de las dos terceras partes de un valor de 30. Son escalas de cocientes las que miden la longitud, la masa, la intensidad de corriente eléctrica y otras variables del mundo físico. Difícilmente las variables que intervienen en las ciencias sociales son medidas con escalas de razones, pues son contados los casos en que dichas variables pueden ser definidas con la exactitud y precisión necesarias, la economía y la demografía son, entre estas disciplinas, las que más utilizan escalas de razones.

Instrumentos de medición Un instrumento de recolección de datos es, en principio, cualquier recurso de que se vale el investigador para acercarse a los fenómenos y extraer de ellos información. Ya adelantábamos que dentro de cada instrumento concreto pueden distinguirse dos aspectos diferentes: forma y contenido. La forma del instrumento se refiere al tipo de aproximación que establecemos con lo empírico, a las técnicas que utilizamos para esta tarea; en cuanto al contenido, éste queda expresado en la especificación de los datos que necesitamos conseguir; se concreta, por lo tanto, en una serie de reactivos que no son otra cosa, que los mismos indicadores que permiten medir las variables, pero que asumen ahora la forma de pregunta, puntos a observar, elementos a registrar, etc. De este modo, el instrumento sintetiza en sí toda la labor previa de investigación: resume los aportes del marco teórico al seleccionar datos que corresponden a los indicadores y, por lo tanto, a las variables o conceptos utilizados; pero también, expresa todo lo que tiene de específicamente empírico nuestro objeto de estudio, pues sintetiza, a través de las técnicas de recolección que emplea, el diseño concreto escogido para el trabajo. Es medianamente una adecuada construcción de los instrumentos de recolección que la investigación alcanza entonces la necesaria correspondencia entre teoría y hechos; es más, podríamos decir que es gracias a ellos que ambos términos efectivamente se vinculan. Si en una investigación, los instrumentos son defectuosos, se producirán de manera invariable, algunas de las dificultades siguientes: o bien los datos recolectados no servirán para satisfacer las interrogantes iniciales; o bien, no se podrán obtener los datos que necesitamos, o vendrán falseados, distorsionados, porque el 31

instrumento no se adecua al tipo de hechos en estudio. En ambos casos, habrá seguramente, uno o varios errores en las etapas anteriores del proceso de investigación, será entonces necesario, volver hacia atrás y revisar las diferentes tareas realizadas, hasta alcanzar una mejor aproximación al problema. En la práctica, es casi imposible que una medición sea perfecta, de manera general se tiene un grado de error, desde luego, tratamos de que este error sea el mínimo posible, es por esto, que la medición de cualquier fenómeno se conceptualiza con la siguiente formula básica: X=t+e Donde "X" representa los valores observados (resultados disponibles), "t" son los valores verdaderos y "e" es el grado de error en la medición. Si no hay error de medición ("e" es igual a cero), el valor observado y el verdadero son equivalentes. Esto puede verse claramente así: X=t+0 X=t Esta situación representa el ideal de medición, entre mayor sea el error al medir, el valor que observamos (en el cual nos basamos) se aleja más del valor real o verdadero, por ejemplo, si medimos la motivación de un individuo, y ésta medición está contaminada por un grado de error considerable, la motivación registrada por el instrumento, será bastante diferente de la motivación real que tiene ese individuo, por esto, es muy importante que el error sea reducido lo más posible. Al medir y comparar el valor verdadero o exacto de una magnitud y el valor obtenido, siempre existirá una diferencia denominada: error de medición; por lo tanto, al no existir una medición exacta, debemos de buscar reducir al mínimo el error, esto lo podemos logar empleando técnicas adecuadas y aparatos o instrumentos, cuya precisión nos permitan obtener resultados satisfactorios. Una manera de reducir el tamaño del error es repetir el mayor numero de veces posible la medición, ya que el promedio de las mediciones resultara mas confiable que cualquiera de éstas. Existen dos clases de errores: sistemático y circunstancial. El error sistemático se presenta de manera constante a través de un conjunto de lecturas realizadas al llevar a cabo la medición de una magnitud determinada, las causas de esta clase de error son: 1. Defecto en el instrumento de medición, éste se puede producir al determinar el tiempo con un cronometro que funcione, mas rápido o mas lento de lo debido 2. Error de paralaje, es el error que se comete por una incorrecta postura del observador, la cual no le permite llevar a cabo una adecuada lectura de la medición 3. Mala calibración del aparato o instrumento usado, este tipo de error se produce por fallas en la fabricación del aparato 4. Error de escala, se produce por el rango de precisión del instrumento empleado, lo que provocara una incertidumbre en la medición

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El error circunstancial es aquel que no se repite de manera regular de una medición a otra, sino que varían y, sus causas se deben a los efectos provocados por las variaciones de presión, humedad y temperatura del ambiente, sobre los instrumentos de medición; por ejemplo, con la temperatura la longitud de una regla puede variar ligeramente de una medición a otra, o bien, una balanza sensible puede dar variaciones pequeñas al medir varias veces la masa de un cuerpo. Los errores circunstanciales se denominan también como estocásticos (al azar), ya que son difíciles de apreciar debido a que son muy pequeños y se producen de forma irregular o estocástica de una medición a otra; así mismo, se les denomina como error aleatorio porque son el resultado de factores inciertos y, por lo tanto, tienen la misma posibilidad de ser positivos o negativos

Escalas de temperatura El ser humano percibe la temperatura como una medida de la cantidad de calor de un cuerpo, en realidad la temperatura la sentimos por la dirección del flujo de calor que emite un cuerpo. El calor siempre fluye de manera espontánea del cuerpo con mas calor hacia el cuerpo que presenta menos calor; por esta razón, percibimos la temperatura al tocar un objeto con mas energía calorífica y nos damos cuenta que ese objeto se encuentra a mayor temperatura que nuestra mano. Las escalas de temperatura que usamos de manera más común en los estudios científicos son: la escala Celsius y Kelvin, aunque también existe otra llamada Fahrenheit. Por ejemplo, si nos sentimos enfermos vamos al doctor y este nos informa que tenemos una temperatura corporal de 104 grados, se refiere a la escala Fahrenheit; el agua tiene un punto de ebullición de 212 ° F, se congela a 32° F y la temperatura normal del cuerpo humano es de 98.6° F; esta escala de temperatura es muy usada en Estados Unidos y Gran Bretaña. Otra escala de temperatura utilizada a nivel mundial, es la Celsius, y en ésta, el punto de ebullición del agua es de 100° C, y el de fusión es de 0° C. Tanto en la escala Fahrenheit como en la Celsius, la unidad de temperatura se denomina grado y se representa mediante un símbolo de la letra mayúscula que representa la escala en la cual se miden las unidades: ° C, o ° F Existe otra escala para medir temperatura, y es usada en el área de las ciencias, es la llamada escala absoluta o Kelvin, en ésta, el agua se congela a 273° K y alcanza la ebullición a 373° K. En la escala Kelvin la unidad se llama Kelvin y se representa con la letra mayúscula “K”. El ser humano percibe la temperatura como una medida del calor o frialdad de un objeto, en realidad la temperatura determina la dirección del flujo de calor. El calor siempre fluye de manera espontánea de la sustancia que presenta la temperatura más alta hacia otra que se encuentra a menor temperatura. Por ésta razón, sentimos la entrada de energía al momento de tener contacto con un objeto caliente, y reconocemos que ese objeto se encuentra a una temperatura más alta que nuestra mano. 33

En química, es común la necesidad de efectuar conversiones de temperatura entre las tres escalas, por lo cual, se usan las siguientes formulas: Para convertir entre grados Celsius y Kelvin, ° C + 273 = ° K o bien ° K – 273 = ° C, por ejemplo para convertir 70° C a kelvin se efectúa la siguiente operación 70° C + 273 = 343 ° K Para convertir entre grados Celsius y Fahrenheit utilizamos las siguientes formulas: °F = (1.8) (°C) + 32, ° F − 32 o bien la formula °C = 1.8

Por ejemplo si queremos conocer la temperatura de un día de verano en donde el termómetro marca 28° C a cuantos grados Fahrenheit equivalen. ° F = 1.8 x ° C + 32 = 1.8 x 28 + 32 = 82 Por lo tanto 28 ° C equivalen a 82 ° F

Caso contrario seria si contamos con el dato de temperatura en la escala Fahrenheit y queremos saber a cuantos grados Celsius corresponden, por ejemplo, si un enfermo de gripe tiene una temperatura de 101° F a cuantos grados Celsius corresponderán ° F − 32 101 − 32 = 38 °C = = 1.8 1.8 Por lo tanto 101° F equivalen a 38° C

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Lectura La química: un componente importante de la educación ¿Cuál es el objetivo de la educación? Algunas personas opinan que la educación consiste en almacenar datos en el cerebro. Aparentemente consideran que la educación es tan solo memorizar respuestas para todos los problemas ya sean actuales o futuros de la vida del hombre, aunque de manera evidente esto es poco razonable, muchos estudiantes se comportan como si fuera verdadero, intentan memorizar listas de hechos y reproducirlos en los exámenes; consideran que son injustas las preguntas del examen que requieren de pensamientos originales o bien de procesamiento de información. En realidad se sienten tentados a reducir la educación a un acervo de conocimientos, ya que este método les permite obtener satisfacción a corto plazo, tanto a estudiantes como a maestros. Por supuesto, almacenar hechos en el cerebro es importante; es imposible funcionar sin saber que el rojo significa alto, que la electricidad es peligrosa, el hielo resbaloso, etc. Sin embargo, almacenar conocimientos de tipo abstracto sin la capacidad para procesarlos, es el equivalente a convertirse en una enciclopedia. Los estudiantes graduados casi siempre transmiten el mismo mensaje cuando regresan a la escuela: las características más importantes para logar tener éxito, son conocer los principios fundamentales de sus respectivos campos, tener la capacidad para reconocer y resolver problemas, y comunicarse de manera eficaz, así mismo indican la importancia de contar con alto nivel de motivación. ¿De que manera ayuda el estudio de la química a logar obtener dichas características? El hecho de que los sistemas químicos sean complicados es en realidad muy conveniente, aunque de momento no lo parezca así, al estudiar química el estudiante no adquiere de manera inmediata destrezas para la resolución de problemas, pero si puede logar desarrollar una actitud positiva hacia la solución de los mismos e incrementar la confianza en si mismo. Aprenderá pensar como químico, es valioso para cualquier persona en cualquier campo, de hecho la industria química está bien poblada a cualquier nivel y en cualquier área por químicos e ingenieros químicos. Las personas entrenadas como profesionistas químicos con frecuencia destacan no solo en la investigación y producción, sino también en las áreas de personal, mercadeo, ventas, desarrollo, finanzas y administración. Debemos de insistir en que gran parte de lo que aprenderás en este curso podrás aplicarlo a cualquier campo en que te desarrolles, por lo tanto no debes de considerarlo de manera prejuiciado, debes de poder soportar las frustraciones a corto plazo para obtener beneficios a largo plazo, tal vez no aprendas a resolver los problemas con facilidad, pero vale la pena intentarlo

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Actividad

1. El nitrógeno liquido alcanza la ebullición a 77° K ¿Cuál será el punto de ebullición en la escala Celsius? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 2. Que temperatura es mas fría, 172° K o -75° C _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 3. Expresa la temperatura -40° C en la escala Fahrenheit _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 4. Tenemos un recipiente de agua a una temperatura de 41° C, ¿a cuantos grados Fahrenheit equivalen? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 5. La solución anticongelante del radiador de un automóvil alcanza su punto de ebullición a 239° F, ¿a cuantos grados Celsius corresponden? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 6. ¿A cuantos litros equivalen 5.5 m3? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 7. Calcula el volumen de un cubo que mide 1m de altura, 2m de ancho y 3.5 m de largo _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 8. ¿Porque es de suma importancia la química para la vida moderna? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

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9. Explica de manera breve el concepto de átomo _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 10. Con tus palabras define el termino Química _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 11. ¿Qué estudia la química orgánica? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

12. ¿De que manera podemos comprender los cambios físicos, químicos y biológicos que suceden en la naturaleza? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 13. Menciona los pasos del método científico _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 14. ¿Qué es una teoría? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ 15. ¿Cuáles son las dos partes que conforman una medición? _____________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________

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Materia y energía Propiedades de la materia

Lo que en la actualidad conocemos de la materia se debe al resultado de muchas investigaciones, las cuales, al final, se reunieron para dar forma al rompecabezas de la imagen del átomo; con el descubrimiento del neutrón, se fortaleció el modelo nuclear del átomo de Rutherford. Con el tiempo se presentarían también cambios en este modelo para otorgar una explicación mas exacta de los fenómenos observados, sin embargo, el concepto del modelo nuclear del átomo no sufrió cambio alguno. Según la teoría atómica, todo lo que nos rodea se encuentra formado de moléculas y, éstas a su vez, de elementos, los cuales son sustancias sencillas que no pueden descomponerse en sustancias más sencillas por cambio químico; los elementos, a su vez, se encuentran formados por átomos, los cuales son partículas extremadamente pequeñas, por lo que el ojo humano no los puede distinguir. Es fácil darse cuenta de que debe de existir un gran número de ellos, ya que una gota de agua se calcula contiene aproximadamente 1,000,000,000,000,000,000,000 (1021, es decir, mil trillones) de átomos. Esta cantidad tan grande nos da una idea de lo pequeño del átomo y del gran número de éstos que existen en todo lo que nos rodea. Los átomos, de acuerdo con la teoría de Rutherford, se encuentran conformados por un núcleo formado de protones que presentan una carga eléctrica positiva, rodeado a su vez por una nube de electrones, con carga eléctrica total de igual magnitud que la del núcleo, pero de signo opuesto (negativo). Los electrones, que giran alrededor del núcleo a grandes velocidades, tienen carga eléctrica negativa y una masa muy pequeña; aproximadamente una dos milésima parte de la masa de un protón. Debido a que el tamaño del núcleo es tan pequeño, si lo comparamos con el resto del átomo, pensando que si el átomo fuera una esfera de 1 kilómetro de diámetro, su núcleo alcanzaría apenas el tamaño de una canica de 1 cm de diámetro, y los electrones se verían apenas como puntos a los que difícilmente se les podría medir sus dimensiones. De hecho, el núcleo contiene casi toda la masa del átomo, y en muchos casos es aproximadamente 4,000 veces más pesado que los electrones periféricos, pero tiene dimensiones muy pequeñas. Por ser precisamente la parte fundamental del núcleo, a los protones y neutrones reciben el nombre de nucleones. A pesar de su tamaño tan pequeño, el núcleo del átomo es muy pesado: si se pudiera juntar materia nuclear en un volumen de 1 cm³, su peso sería aproximadamente de doscientos millones de toneladas. Una vez que los científicos establecieron el modelo nuclear del átomo, se hizo evidente que las transformaciones radiactivas son procesos nucleares. Todos los núcleos, excepto el del hidrógeno, están formados principalmente por protones y neutrones, el número de protones, es también igual al número de electrones, en el átomo neutro, es su número atómico. Por otra parte, el número total de nucleones, es decir de protones y neutrones, nos determinan la masa atómica.

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Los números atómicos de los elementos conocidos, van desde 1 para el hidrógeno, hasta el 118 para el elemento más pesado conocido. Se conocen además, núcleos con número de neutrones desde cero hasta 159. Los números de masa (masa atómica) de los elementos conocidos varían desde 1 hasta 263. Es importante notar que en el caso de los elementos más ligeros, la masa atómica es aproximadamente el doble del número atómico, esto es otra forma de decir que estos núcleos ligeros contienen aproximadamente números iguales de protones y neutrones, por ejemplo: el helio-4, en particular, presenta 2 protones y 2 neutrones. Los científicos acostumbran expresar en forma taquigráfica la nomenclatura de los núcleos con diferentes propiedades físicas, el símbolo utilizado para denotar las especies nucleares es el símbolo químico del elemento con el número de masa como superíndice izquierdo, y el número atómico como subíndice izquierdo; así, el helio de masa 4 se transcribe: 4/2He. En la literatura antigua se utilizaba también poner el número de masa como superíndice derecho: 2He4, nomenclatura que en ocasiones aún se encuentra en la literatura, sin embargo, el subíndice, que indica el número atómico, a menudo se omite, pues cada elemento químico tiene su número atómico característico; existe también la costumbre de simplificar esta nomenclatura escribiendo el nombre del elemento seguido de un número que indica su número de masa: helio-4. Las masas de los núcleos atómicos son tan pequeñas cuando se expresan en gramos (menos de 10-21 gramos), que se expresan en general en una escala diferente. La escala que se acepta universalmente en la actualidad está basada en la masa de un átomo de carbono-12 tomado exactamente como 12 unidades atómicas de masa. La información a este respecto para cada elemento se encuentra distribuida muy ampliamente en la literatura de tablas que dan la información; sin embargo, es importante hacer notar que esta información está dada en general para las masas atómicas y no sobre las masas nucleares. En otras palabras: las masas tabuladas incluyen las masas de los electrones en los átomos neutros. Todo lo que podemos ver y tocar es materia, así mismo, también son materia cosas que no podemos ver, como el aire. Podemos observar que la materia ocupa una cierta porción de espacio que llamamos volumen. En el caso del aire, esto no es evidente, pero si sumerges un tubo "vacío" o un vaso con la boca hacia abajo en un recipiente con agua, ésta no puede entrar porque el tubo está lleno de aire, y el aire ocupa su propio volumen (para que el agua pudiera entrar en el tubo tendríamos que abrir una salida al aire en la parte superior). Esta es una propiedad general de la materia: la materia ocupa volumen, otra propiedad esencial es que la materia tiene masa, lo que comprobamos cada vez que pesamos distintos objetos con una balanza. No sólo lo que está a nuestro alcance es materia, también es materia lo que constituye los planetas, el Sol y las demás las estrellas, las galaxias. Y a escala microscópica, son también materia las células, los virus, el ADN; podemos decir que es materia todo lo que ocupa volumen y tiene masa. La materia forma todos los cuerpos del universo. La materia es la base del universo, ocupa un lugar en el espacio y contiene masa y energía, de manera general, podemos mencionar que la materia de la cual esta conformado un cuerpo y cada porción de una muestra de ese objeto, esta formado de materia homogénea, aun a pesar de las diferentes formas que puede presentar ante nuestra vista, toda esa materia presenta la misma estructura química, es decir, esta formada de átomos y moléculas. Todos los cuerpos se distinguen entre si por sus diferentes

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características o propiedades, siendo estas los diferentes atributos con las cuales percibimos la materia, así como la manera de utilizar la energía e interactuar entre ellos. Las características o propiedades de la materia se encuentran clasificadas en: generales y particulares también denominadas especificas. Las propiedades generales de la materia son: masa, peso, inercia, impenetrabilidad, divisibilidad, volumen, estado de agregación. La masa es la cantidad de materia que contiene un cuerpo; inercia se define como la propiedad que presentan los cuerpos a mantener su estado de reposo o movimiento; Peso es la fuerza con la cual el planeta atrae a todos los cuerpos debido a la gravedad; Impenetrabilidad es la resistencia que opone un cuerpo a que otro ocupe su lugar al mismo tiempo; Volumen es el espacio que ocupa un cuerpo; Divisibilidad es la característica que presentan la materia de poderse dividir hasta cierto limite. Las propiedades específicas nos sirven para identificar determinada sustancia y con esto, llegar a distinguirla de entre otras, éstas son por ejemplo: color, olor, sabor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, solubilidad, elasticidad. La densidad es la característica que nos indica la relación entre la masa y el volumen de dicha sustancia; el punto de fusión es aquel en el cual los cuerpos pasan del estado sólido al liquido, es decir, es la temperatura en la cual la materia cambia de estado; el punto de ebullición es aquel en el cual un liquido entra en estado de ebullición, es decir, cuando hierve un liquido, este punto se ve afectado significativamente por la presión atmosférica; la solubilidad es la propiedad o característica de la materia en la cual una sustancia se disuelve en otra y se ve afectada por la presión y la temperatura; la elasticidad es la propiedad que presentan los cuerpos de cambiar de forma cuando se ven afectados por una fuerza y al finalizar ésta fuerza, recobran su forma original. Cuando observamos a nuestro alrededor nos preguntamos sobre las propiedades de la materia: porqué crecen las plantas y porqué son de color verde, porqué el sol es caliente, porqué podemos calentar comida en el microondas, porqué la madera se quema y las rocas no, que es una flama, como funciona el jabón, porqué se oxida el hierro y el aluminio no; las respuestas a éstas y otras interrogantes se encuentran dentro de la química. La materia de la cual esta formado el universo presenta dos características, tiene masa y ocupa un lugar en el espacio (volumen). Toda la materia tiene diferentes formas, las estrellas, el aire que respiramos, la gasolina de los autos, las sillas, una torta, nuestro cerebro, etc. La materia se clasifica de varias formas, por ejemplo, la madera, rocas, huesos y el acero comparten ciertas características, todos son rígidos, es decir, presentan una forma definida. Por otra parte, el agua, gasolina, aceite, tienen forma del recipiente donde se encuentran, es decir, un litro de agua tiene un volumen de 1 L sin importar esté en una cubeta o un vaso de precipitado. En contraste, el aire toma la forma del recipiente que lo contiene y lo llena de manera uniforme. Los tres estados de la materia son: sólido, liquido y gas, y dependen de la fuerza de atracción entre las partículas que lo están formando, mientras mayor sea ésta fuerza, mas rígida será la materia. En el estado sólido, los cuerpos tienen un volumen casi invariable (incompresibilidad) debido a que sus partículas (átomos, iones o moléculas) están prácticamente en contacto, por lo cual, no se pueden aproximar más. La forma de los sólidos es también invariable, porque sus partículas están perfectamente ordenadas ocupando posiciones fijas en estructuras tridimensionales repetitivas llamadas cristales, las partículas no están quietas en sus posiciones, sino que vibran sin cesar, tanto más intensamente cuanto 40

mayor es la temperatura, si ésta llega a ser lo suficientemente alta (temperatura de fusión) las partículas pierden sus posiciones fijas y, aunque siguen muy juntas, desaparece la estructura cristalina, exclusiva de los sólidos, para transformarse en líquidos. La forma de los líquidos es variable (adoptan la forma que tiene el recipiente) porque, por encima de la temperatura de fusión, las partículas no pueden mantener las posiciones fijas que tienen en estado sólido y se mueven desordenadamente. Sin el efecto de la gravedad, la forma natural de los líquidos es la esférica (la gota); por ejemplo, si un astronauta en una estación espacial que se encuentre orbitando la Tierra, lanza un vaso de agua, ésta adopta la forma de grandes gotas suspendidas en el aire. El volumen de los líquidos es prácticamente invariable, porque las partículas, aunque no forman una estructura fija como en el caso de los sólidos, se mantienen como en ellos, relativamente juntas. Los líquidos pueden fluir, ya que sus partículas, al tener libertad y no ocupar posiciones fijas, pueden desplazarse por los huecos que aparecen entre ellas, permitiendo el movimiento de toda la masa líquida. Por ejemplo, si vertimos un chorro líquido por la boca de una botella adopta su forma, sus partículas están muy separadas y pueden "fluir"; pero si lanzamos cubos de hielo, éstos no pueden entrar en la botella ya que sus partículas se encuentran muy juntas y no fluyen Al calentar un liquido y por consiguiente incrementar su temperatura, los movimientos de sus partículas se hacen más amplios y rápidos. Al alcanzar el punto de ebullición, las partículas pierden el contacto entre sí y se mueven libremente en todas direcciones (estado gaseoso). Los gases se difunden hasta ocupar todo el recipiente que los contiene porque, a diferencia de los sólidos y líquidos, tienen sus partículas muy separadas moviéndose de manera caótica en todas direcciones, el movimiento de cada partícula no se verá perturbado mientras no choque con otra partícula o bien con las paredes del recipiente, debido a esto, los gases acaban ocupando todo el volumen del recipiente; los innumerables choques pueden ejercer un empuje tan grande sobre las paredes que éstas pueden llegar a romperse. La forma de los gases es variable, adoptan la de cualquier recipiente que los contenga, el volumen de los gases es fácilmente modificable porque se los puede comprimir y expandir; presionando un gas se disminuye la separación entre sus partículas, cosa que no puede ocurrir en los estados sólido y líquido. Los gases pueden fluir, por la misma razón que en el caso de los líquidos, los líquidos y los gases reciben por ello el nombre genérico de fluidos. Los tres estados de la materia Estado Sólido

Definición

Ejemplo

Rígido, tiene forma y volumen propio

Cubo de hielo, diamante, barra de metal

Liquido Tiene volumen definido, toma la forma del Gasolina, agua, alcohol recipiente que lo contiene Gas No tiene volumen ni forma propia, presenta la forma Aire, helio. oxigeno y volumen del recipiente que lo contiene

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El ciclo del agua en la naturaleza nos muestra los diferentes estados del agua, en ningún cambio de estado cambia la estructura interna de las moléculas: el hielo y el vapor son la misma sustancia que el agua líquida, lo que cambia es la intensidad con que las moléculas se atraen y la forma en que se agrupan. Las moléculas de agua tienen la misma forma y los mismos átomos en los tres estados.

Existen dos tipos de cambios que puede sufrir toda materia: físicos y químicos; los cambios físicos se refiere a características o propiedades físicas comunes de las sustancias, como olor, color, volumen, estado (sólido, liquido, gas), densidad, punto de ebullición y fusión. Los cambios químicos de la materia se refieren a la capacidad para formar nuevas sustancias. La materia prima sufre cambios tanto en sus propiedades físicas como químicas, por ejemplo el agua, una muestra de éste material esta formado por muchas moléculas y cada una de ellas esta formada por 1 átomo de oxigeno y 2 átomos de hidrógeno, lo que nos da la formula ya conocida como H2O. Que pasa en realidad cuando el agua experimenta los siguientes cambios:

Sólido (hielo)

fusión

liquido (agua)

ebullición

Al calentar el hielo este se derrite y el sólido rígido es sustituido por un liquido móvil que toma la forma del recipiente en donde esta; si seguimos calentando llega a hervir (ebullición) y el agua se transforma en gas que aparentemente desaparece en el aire. Lo mas importante acerca de todos estos cambios es que la molécula de agua permanece intacta, los movimientos de las moléculas individuales y las distancias entre ellas cambian, pero continúan siendo moléculas de H2O, estos cambios de estado serán entonces cambios físicos porque no están afectando la composición de la sustancia, en cada uno de ellos se conserva la molécula de H2O y no se produce ninguna otra sustancia. 42

gas (vapor)

Supongamos que pasamos electricidad a través del agua, esto produce resultados muy diferentes, el agua desaparece y es sustituida por dos nuevas sustancias gaseosas: hidrógeno y oxigeno. La electricidad provoca que las moléculas del agua (H2O) se separen, es decir descomponen el agua en los elementos que la forman; lo anterior es un cambio químico porque el agua se descompone en sustancias diferentes. En general podemos mencionar que en un cambio físico varían una o mas propiedades físicas sin que la composición cambie, los cambios físicos mas frecuentes son los cambios de estado: Sólido

liquido

gas

En un cambio químico se dan cambios en la composición de la materia, ya que una sustancia dada se descompone en diferentes sustancias. Los cambios químicos se llaman reacciones: la plata se oxida al reaccionar con la atmósfera que la rodea, una planta forma hojas al combinar diferentes sustancias atmosféricas y terrestres. La mayoría de la materia que conocemos no esta conformada como una sustancia pura, por ejemplo: la gasolina, el cemento, el aire. Aun así somos capaces de descomponer, es decir separar dichos tipos de materia en diferentes sustancia puras de las que están formadas. Una sustancia pura es aquella materia que tiene propiedades definidas y su composición no cambia de una muestra a otra; por ejemplo, las sustancias puras como el agua, y la sal de mesa, son las principales componentes del agua de los océanos. Toda la materia esta formada de elementos y compuestos. Los elementos no pueden separarse en sustancias más simples, a nivel molecular cada elemento se forma de un solo tipo de átomos. Los compuestos están formados de dos o mas elementos, por lo que contienen dos o mas clases de átomos; por ejemplo, el agua, como ya se menciono anteriormente esta formado por dos elementos, hidrogeno y oxígeno. Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en las cuales cada sustancia conserva sus propias características y propiedades. Algunas propiedades como la temperatura, punto de fusión, la densidad, no dependen de la cantidad de muestra que se esta examinando, estas propiedades son llamadas propiedades intensivas y son de manera especial útiles en química porque muchas de ellas pueden servir para identificar sustancias; las propiedades extensivas de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e incluyen mediciones de masa y volumen, es decir las propiedades extensivas tiene que ver con la cantidad de la sustancia presente

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Lectura Piezas del rompecabezas de los dinosaurios Durante mas de 150 millones de años predominaron innumerables especies de dinosaurios en el planeta, sin duda lo anterior representa uno de los logros mas sorprendentes de cualquier grupo de organismos hasta la fecha, sin embargo, hace 65 millones de años los dinosaurios desaparecieron de manera repentina y su muerte fue casi instantánea en la escala del tiempo geológico. ¿Qué ocurrió? ¿Cómo pudo desaparecer un grupo de animales que había dominado el planeta durante tanto tiempo? Aunque se han propuesto muchas teorías para explicar la extinción de los dinosaurios, ninguna parecía muy convincente hasta hace poco. Al examinar muestras de rocas que contenían material de la superficie terrestre de la época en que murieron los dinosaurios, los geólogos encontraron cantidades poco comunes de un elemento llamado iridio; este metal suele encontrarse en cantidades relativamente grandes en meteoritos y cometas, por lo cual sugiere que probablemente un objeto de gran tamaño haya chocado con la tierra. Los geólogos proponen que esto sucedió hace aproximadamente 65 millones de años. Se piensa que a causa de la tremenda explosión provocada por el choque arrojo millones de toneladas de un fino polvo a la atmósfera con lo que bloqueo en gran parte la luz solar, probablemente esto produjo la desaparición de muchas variedades de plantas, ya que estas dependen de la energía solar para sui desarrollo. A su vez los animales de la tierra al contar con menos alimento empezaron a morir Estudios mas recientes han demostrado que el elemento niobio también se encuentra presenta en estas muestras del interior de la tierra en cantidades que apoyan a la teoría de que el planeta fue golpeado por un objeto de gran tamaño. Por lo tanto la presencia de los elementos iridio y niobio en estas muestras de la tierra nos proporcionan un posible respuesta al enigma que se intento resolver durante muchos años.

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Actividad

1. Indica cuales de las siguientes propiedades son físicas y cuales químicas a) El galio metálico se funde en la palma de la mano b) El platino no reacciona con oxigeno a temperatura ambiente c) La pagina del libro es blanca d) La madera se quema al aire e) Una roca se rompe en pedazos pequeños 2. Define el concepto de materia _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 3. Menciona como se encuentra clasificadas las propiedades de la materia _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 4. Menciona tres características generales de la materia _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 5. Es la cantidad de materia que contiene un cuerpo _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 6. ¿Será lo mismo peso que masa? Por que _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 7. Con tus palabras define el concepto de ebullición _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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8. ¿Qué es un cambio físico? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 9. ¿Como son los tipos de átomos que forman a un elemento? _____________________________________________________________________________________ 10. ¿Cómo reconocemos cuando se ha efectuado un cambio químico? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 11. ¿Cuál es el factor determinante para la formación de los tres estados de agregación de la materia? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 12. ¿Qué sucede con las moléculas de una sustancia que a sufrido algún cambio físico? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 13. ¿Qué es una sustancia pura? _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ 14. Define el concepto de volumen _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________

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Elementos y compuestos

Un elemento químico es una sustancia que no puede ser dividida en otras más simples, los átomos con igual número atómico (número de protones en el núcleo) corresponden al mismo elemento químico. Es importante diferenciar elemento químico de sustancia simple, el ozono (O3) y el oxígeno (O2) son sustancias simples, de distintas características, el oxígeno (O) es el elemento químico que forma estas dos sustancias simples. Un elemento puede a su vez tener distintos estados alotrópicos, dando lugar a distintas propiedades, un ejemplo bien claro se encuentra en el carbono, que se presenta como grafito o como diamante. Se conocen más de 118 elementos, algunos se han encontrado en la naturaleza, formando parte de sustancias simples o de compuestos químicos, otros han sido creados artificialmente con aceleradores de partículas o en un reactores atómicos; estos últimos son inestables y sólo existen durante milésimas de segundo. Si observamos un cambio químico de una sustancia podemos detectar una serie de sustancias llamadas elementos los cuales no pueden ser descompuestos en sustancias mas sencillas por medio de métodos químicos; ejemplos de elementos son hierro (Fe), aluminio (Al), oxigeno (O), hidrógeno (H), etc. Toda la materia del mundo que nos rodea se encuentra formada por elementos y la mayoría de las sustancias están formadas por varios elementos en combinación. Algunos elementos presentan afinidad entre si, se unen de manera especial para formar compuestos, los cuales son sustancias de la misma composición sin importar donde se encuentren.

En la actualidad se conocen 118 elementos los cuales varían en abundancia en el medio ambiente, por ejemplo mas del 90% de la corteza terrestre esta formada de solo 5 elementos (silicio, aluminio, oxigeno, hierro, calcio), solo 3 elementos (oxigeno, carbón, hidrógeno) forman mas del 90% de la masa del cuerpo humano. Debido a que los compuestos se encuentran formados por elementos, pueden descomponerse en ellos por medio de cambios químicos Compuesto

cambio químico

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elementos

Un ejemplo de esto seria el compuesto conocido con el nombre de agua (H2O), este material tiene siempre la misma composición, es decir las mismas cantidades relativas de oxigeno e hidrógeno y puede descomponerse en los elementos que lo forman por medio de métodos químicos, por ejemplo al pasar electricidad a través de ella. El agua pura sin importar su origen su masa esta formada por 11% de hidrógeno y 89% de oxigeno, esta composición corresponde a su composición molecular, que consta de dos átomos de hidrógeno combinado con un átomo de oxigeno. Un compuesto siempre contiene átomos de elementos diferentes, por ejemplo el agua esta formada de átomos de oxigeno e hidrógeno y siempre existe el doble de hidrógenos con respecto al oxigeno porque el agua consta de moléculas H – O – H. Un compuesto distinto es el dióxido de carbono, el cual esta conformado de moléculas CO2 por lo que contiene átomos de carbono y de oxigeno en una proporción también de 1:2 Los compuestos aunque contienen más de un tipo de átomos siempre presentan la misma composición, es decir la misma combinación de átomos, y sus propiedades varían mucho de los elementos que lo forman. Los elementos que se estudian en una tabla periódica pueden considerarse como "ladrillos", a partir de los cuales, se pueden construir todas las sustancias presentes en nuestro planeta y el universo, sin embargo, no todos estos elementos son estables; únicamente presentan esta característica 82 de ellos. Esto se debe a que, de manera natural, se producen cambios en los núcleos de los átomos, algunos de los cuales se desintegran con gran velocidad, mientras otros lo hacen con demasiada lentitud. La naturaleza entera puede construirse con los elementos naturales; del hidrógeno al uranio La primera evidencia de estos cambios ocurridos en los núcleos de los átomos, fue encontrada en 1896 por el francés Henry Becquerel, esto como una consecuencia directa del descubrimiento, unos meses antes, de los rayos X. Becquerel encontró que una sal de uranio que guardaba en un cajón emitía ciertas radiaciones que velaban las placas fotográficas vírgenes, por lo que parecía, que el uranio despedía extrañas radiaciones, el término actual, "radiactividad", no apareció sino años después, en un trabajo de Pierre y Marie Curie, conocidos investigadores en este campo. En 1919, en el laboratorio de Ernest Rutherford se provocó por primera vez un cambio nuclear artificial, desde entonces, y sobre todo a partir del descubrimiento del neutrón por el científico Chadwick, en 1932, los científicos dedicados a las investigaciones nucleares, encontraron un sinnúmero de nuevos núcleos atómicos y multitud de aplicaciones energéticas y no energéticas de los mismos. Algunas de ellas nos han sido de enorme utilidad, pero otras han puesto a la humanidad al borde de un cataclismo planetario. Las disciplinas científicas relacionadas con los cambios en los núcleos de los átomos en las cuales se acostumbra subdividir esta ciencia son: La radioquímica, se encarga del estudio de las propiedades de los radioisótopos los cuales son, núclidos naturales o artificiales que emiten radiactividad, es decir, son inestables; los métodos para su obtención y purificación, su uso en la investigación química y los efectos químicos de las transformaciones nucleares. La química de radiaciones estudia los efectos químicos producidos por las radiaciones. La química nuclear estudia la síntesis de nuevos nucleidos y elementos artificiales.

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La física nuclear es la parte de la ciencia que estudia las partículas que forman el núcleo atómico, la configuración del mismo y los cambios de energía que tienen lugar en él. La ingeniería nuclear se encarga de estudiar el diseño y funcionamiento de los reactores nucleares. La física de neutrones se encarga del estudio de la producción, detección y comportamiento de esta partícula subnuclear. La medicina nuclear estudia el comportamiento de compuestos radiactivos en el organismo humano, usados como trazadores, con propósitos de diagnóstico o con fines terapéuticos en el tratamiento de algunos padecimientos. La radiobiología es la parte de la ciencia que estudia el efecto de las radiaciones nucleares en las estructuras celulares de los seres vivos en general. La seguridad radiológica estudia los métodos para el manejo de materiales radiactivos, de manera que pueda realizarse sin riesgos para la salud o el medio ecológico. Como es frecuente en la ciencia, cada una de estas disciplinas no es independiente de las demás, sino que se complementan unas con otras. El átomo, como ya se menciono anteriormente es la muestra representativa más pequeña de un elemento, sin embargo, solo los gases nobles se encuentran normalmente en la naturaleza como átomos aislados, la mayor parte de la materia se compone de moléculas, las cuales se forman a partir de átomos. Una molécula es un conjunto de dos o más átomos unidos de manera estrecha, el paquete de átomos resultante se comporta en muchos sentidos como un objeto singular bien definido. Varios elementos se encuentran en la naturaleza en forma molecular, es decir, con dos o mas átomos del mismo tipo enlazados entre si, por ejemplo, el oxigeno, que normalmente se encuentra presente en el aire, el cual consiste en moléculas de oxigeno con la formula química O2; el subíndice de la formula nos indica que existen dos átomos de oxigeno en cada molécula. Una molécula formada por dos átomos se denomina molécula biatómica, así mismo, el oxigeno también esta presente en otra forma molecular denominada ozono, las moléculas de ozono consisten en tres átomos de oxigeno, así que su formuela química es O3. Aunque tanto el oxigeno normal (O2) como el ozono (O3) se componen exclusivamente de átomos de oxigeno, exhiben propiedades químicas y físicas muy diferentes, por ejemplo, el oxigeno, es indispensable para la vida, pero el ozono es toxico, el O2 es inodoro, en tanto el O3 presenta un olor áspero y picante muy fuerte. Los elementos que de manera normal se encuentran presentes como moléculas biatómicas son: hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y los halógenos. Cuando hablamos de la sustancia hidrogeno, nos referimos al H2 a menos que se indique de manera explicita otra cosa. Así mismo, cuando nos referimos al oxigeno, nitrógeno o alguno de los halógenos, nos estamos refiriendo a: O2, N2, F2, Cl2, Br2, o I2. Los compuestas que están formados por moléculas, se denominan compuestos moleculares y se conforman por mas de un tipo de átomos, por ejemplo, una molécula de agua consiste de dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, por lo tanto se representa con la fórmula química H2O. La

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ausencia de un subíndice en el oxigeno indica que hay un átomo de oxigeno en cada molécula de agua. Otro compuesto formado por estos mismos dos elementos, pero en diferentes proporciones relativas, es el peroxido de hidrogeno (H2O2), pero como ya se menciono, las propiedades de estos dos compuestos son muy distintas. Las formulas químicas que indican los números y tipos de átomos que se encuentran formando una molécula, se denominan fórmulas moleculares, las fórmulas que solo indican el numero relativo de átomos de cada tipo, en una molécula, se llaman fórmulas empíricas. Los subíndices de una fórmula empírica siempre son las proporciones enteras mas pequeñas, por ejemplo, la formula molecular del peroxido de hidrogeno es H2O2, su formula empírica es HO. La fórmula molecular del etileno es C2H4 y su formula empírica es CH2. Para muchas sustancias, la formula molecular y la empírica son idénticas, como es el caso del agua H2O. Las formulas moleculares nos proporcionan mas información sobre las moléculas, que las formulas empíricas, siempre que conozcamos la formula molecular de un compuesto, podemos determinar su formula empírica; en cambio, lo opuesto no se cumple, si conocemos las formula empírica de una sustancia no podemos determinar su formula molecular sin poseer mas información.

Mezclas y sustancias puras

Una determinada muestra de materia puede presentarse de manera gaseosa, liquida o sólida; estas tres formas de la materia se denominan, estados de la materia. Los estados de la materia difieren en algunas de sus propiedades observables; un gas o vapor no presenta un volumen fijo, mas bien se ajusta al volumen y forma del recipiente que lo contiene; así mismo podemos comprimir un gas de manera que ocupe un volumen mas pequeño, o bien expandirlo para que ocupe un volumen mayor; un líquido presenta un volumen definido independientemente del recipiente que lo contenga, pero no cuenta con una forma especifica, por lo que asume la forma del recipiente que lo contiene; un sólido tiene forma y volumen definidos, es rígido, ni los líquidos ni los sólidos pueden comprimirse de forma apreciable. Las propiedades de los estados de la materia, pueden entenderse en el nivel molecular, en un gas las moléculas se encuentran muy separadas y se mueven a grandes velocidades, por lo que chocan repetidamente entre si y con las paredes del recipiente donde se encuentra. En un líquido, las moléculas están más cercanas, pero aun se mueven de manera muy rápida, y pueden deslizarse unas sobre otras, por ellos los líquidos fluyen fácilmente. En los sólidos, las moléculas se encuentran firmemente unidas entre si, por lo regular en patrones definidos, dentro de los cuales las moléculas apenas pueden moverse un poco de esas posiciones fijas, es decir, solo vibran, por ello, los sólidos tienen forma rígida.

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Casi toda la materia de nuestro entorno es una mezcla de sustancias, cada partícula de una sustancia de alguna mezcla conserva sus propiedades, mientras que las sustancias puras tienen composición fija, la composición de una mezcla puede variar. Por ejemplo, una taza de café puede tener poca o mucha azúcar, la madera también es una mezcla ya que su composición varia dependiendo del árbol del cual es originario. Algunas mezclas como la arena, rocas y madera no tienen la misma composición, propiedades y aspecto en todos sus puntos y son llamadas mezclas heterogéneas. Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos, es decir toda ella tiene la misma composición son llamadas homogéneas, por ejemplo el aire es una mezcla homogénea de los gases nitrógeno, oxigeno y otras sustancias en menor proporción; a las mezclas homogéneas también se les llama soluciones. La mayor parte de las formas de materia con las que nos encontramos en la vida diaria no son químicamente puras, por ejemplo: el aire que respiramos (gas), la gasolina para los autos (liquido) y la banqueta por la que caminamos (sólido). No obstante podemos descomponer o separar esta materia en diferentes sustancias puras. Una sustancia pura siempre tiene la misma composición y presenta propiedades definidas, por lo que su composición no cambia de una muestra a otra, por ejemplo el agua (H2O) y la sal común (NaCl) son los dos componentes principales del agua de mar, son sustancias puras. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos; los elementos no pueden descomponerse en sustancias más simples, en el nivel molecular, cada elemento se conforma de un solo tipo de átomos. Los compuestos son sustancias formadas de dos o más elementos y, por lo tanto, contienen dos o más tipos de átomos; por ejemplo, el agua, es un compuesto constituido por dos elementos: hidrogeno y oxigeno. Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias, en las que cada sustancia conserva su propia identidad química Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades: características que le permiten reconocerla y distinguirla de otras sustancias, por ejemplo: las propiedades dadas en la siguiente tabla nos permiten distinguir el hidrogeno, oxigeno y el agua. Las propiedades de la materia se pueden agrupar en dos categorías: físicas y químicas. Concepto Estado Punto ebullición Densidad Inflamable

Agua Liquido 100ºC 1.00 g/mL No

Hidrogeno Gas -253ºC 0.084 g/L Sí

Oxigeno Gas -183ºC 1.33 g/L No

Debido a que cada componente de una mezcla conserva sus propiedades, podemos logar separar una mezcla en sus componentes aprovechando las diferencias en sus propiedades, por ejemplo, una mezcla heterogénea de limaduras de hierro y limaduras de oro, podría separarse tomando en cuenta su color, trozo por trozo en hiero y en oro; una estrategia un poco menos tediosa, sería el utilizar un imán con el fin de atraer las limaduras del hierro, dejando atrás las partículas de oro. Así mismo, también podemos aprovechar una importante diferencia química entre estos dos metales: esto es, el que muchos ácidos reaccionan con el hierro disolviéndolo, pero no con el oro, por lo tanto, si colocamos una mezcla de este 51

tipo, en un acido apropiado, el hierro se disolverá quedando al final solo el oro, posteriormente se podrían separar las sustancias por medio de un proceso de filtración. También podemos logar separar mezclas homogéneas en sus constituyentes originales de formas similares, por ejemplo: el agua presenta un punto de ebullición mucho mas bajo que la sal de mesa (NaCl), es decir, es mas volátil, por lo que si hervimos una disolución de sal en agua, ésta, al ser mas volátil, se evaporará, y la sal quedara en el fondo del recipiente; el vapor de agua se puede convertir de nuevo en liquido en las paredes de un condensador, este proceso se denomina destilación. También podemos aprovechar las diferentes capacidades de las sustancias para adherirse a las superficies de diversos sólidos, como papel y almidón, y así separar mezclas; este es el fundamento de la cromatografía el cual es un método de análisis químico para la separación de los componentes de una mezcla por distribución entre dos fases, una estacionaria y otra móvil, que en un principio se utilizó para separar sustancias coloreadas Podemos medir las propiedades físicas sin cambiar la identidad ni la composición de la sustancia, estas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusión, punto de ebullición, y dureza. Algunas propiedades como la temperatura, el punto de fusión y la densidad, no dependen de la cantidad de muestra que se esta examinando, estas propiedades, denominadas propiedades intensivas, son específicamente útiles en química porque muchas de ellas pueden servir para identificar las sustancias. Las propiedades extensivas de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e incluyen mediciones de la masa y volumen, las propiedades extensivas tienen que ver con la cantidad de la sustancia presente Las propiedades químicas describen la forma en que las sustancias pueden cambiar o reaccionar para formar otras sustancias, por ejemplo, una propiedad química común es la inflamabilidad, es decir, la capacidad de una sustancia para arder en presencia de oxigeno. De la misma manera que se hace con las propiedades de las sustancias, los cambios que sufren éstas, se clasifican en físicos y químicos, durante un cambio físico, las sustancias cambian de apariencia física, pero no de composición en su estructura, por ejemplo, la evaporación del agua es un cambio físico, cuando el agua se evapora, cambia de estado liquido a gaseoso, pero continua estando conformada por moléculas de agua (H2O), todos los cambios de estado se clasifican como cambios físicos. En las reacciones químicas, suceden cambios químicos, ya que las sustancias se transforman en sustancias químicamente diferentes, por ejemplo, cuando se quema hidrogeno en aire, sufre un cambio químico porque se combina con oxigeno para formar agua.

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Energía y cambios de energía

El termino de energía es ampliamente conocido, se habla de energía solar, nuclear, eléctrica, del carbono y la gasolina, cuando las personas se encuentran cansados se dice se les acabo la energía. La energía nos permite hacer cosas (trabajar), conducir un auto, así como también cocinar alimentos. Una definición común para energía por lo tanto es la capacidad para efectuar un trabajo. La sociedad actual depende fuertemente de la energía para su existencia, cualquier síntoma de escasez de energía, como apagones eléctricos, escasez de gasolina o bien, el encarecimiento de gas natural, basta para sacudir la confianza de la gente y perturbar los mercados internacionales. La energía se encuentra íntimamente ligada con la química, la gran mayoría de la energía de que dependemos, se obtiene por medio de reacciones químicas; como la combustión de combustibles fósiles, las reacciones químicas dentro de las baterías o bien, la formación de biomasa por medio de fotosíntesis. Si recapitulamos en algunos de los procesos químicos que observamos en un día cualquiera de nuestra vida, podemos pensar en que: ingerimos alimentos a fin de producir la energía necesaria para mantener nuestras funciones metabólicas. Así mismo, quemamos combustibles fósiles como, hulla, petróleo y, gas natural para producir la energía eléctrica que abastece nuestras casas, escuelas y oficinas; así como también nos transporta de un lugar a otro en automóvil, avión, o tren; o bien, escuchamos música en reproductores de MP3 de baterías. La relación entre cambio químico y energía, se manifiesta de varias maneras; las reacciones químicas en que intervienen alimentos o combustibles liberan energía; en cambio, las descomposición del agua en hidrogeno y oxigeno durante la electrólisis, requiere de un aporte de energía eléctrica. Así mismo, el proceso químico que conocemos como fotosíntesis el cual se lleva a cabo en las hojas de los vegetales, convierte una forma de energía, la energía radiante del sol, en energía química Los procesos químicos pueden hacer algo más que simplemente generar calor; los utilizamos también para efectuar un trabajo, como por ejemplo: hacer girar el motor de arranque de un automóvil, impulsar un taladro, etc. Lo que nos dice todo esto, es que en los cambios químicos generalmente interviene energía Si queremos entender bien la química, tendremos que entender también los cambios de energía que acompañan a los cambios químicos. El estudio de la energía y sus transformaciones se conoce como termodinámica (del griego thérme, “calor” y dy´namis, “potencia”). Este campo de estudio se inicio durante la revolución industrial cuando se estudiaron las relaciones entre calor, trabajo, y el contenido energético de los combustibles, en un esfuerzo por obtener el máximo de rendimiento de las maquinas de vapor. En la actualidad, la termodinámica tiene una importancia enorme en todas las áreas de la ciencia, por lo que analizaremos las relaciones entra las reacciones químicas y los cambios de energía en que interviene el calor, este aspecto de la termodinámica se denomina termoquímica. Un uso de la energía es el destinado a cambiar la temperatura de las sustancias, la mayoría de las veces, calentamos agua utilizando la energía de la estufa, sabemos que la temperatura de una sustancia refleja los movimientos de sus componentes; por lo tanto, los movimientos de las moléculas de una sustancia aumentan al incrementarse la temperatura del material, por ejemplo, en el hielo los componentes son 53

moléculas de agua que vibran de forma aleatoria en torno a sus posiciones fijas en el sólido; cuando éste sólido, se calienta a temperaturas mas altas, las vibraciones aleatorias se hacen mas energéticas, por ultimo, en el punto de fusión del hielo, las moléculas vibran con tal energía, que pueden desprenderse de sus posiciones, por lo que el hielo rígido, se transforma en agua liquida. Por lo que podemos deducir entonces, que los movimientos de las moléculas de una sustancia, se incrementan al elevarse la temperatura de la misma. Nuestro análisis de la termodinámica se basara en los conceptos de energía, trabajo y calor, por lo que de manera particular, tendremos que examinar las formas en que la materia posee energía y como, dicha energía, es capaz de transferirse de una porción de materia a otra. Todos los cuerpos, ya sean pelotas o moléculas, pueden presentar energía cinética, que como ya se menciono, es la energía del movimiento; la magnitud de la energía cinética (Ek), de un cuerpo, depende directamente de su masa (m), y de su velocidad (v): Ek = ½mv2 La ecuación anterior nos indica que la energía cinética aumenta al incrementarse la rapidez del objeto; por ejemplo, un automóvil que se mueve a 80 kilómetros por hora (kph) posee mayor energía cinética que cuando se mueve a 60 kph. Además, para una velocidad dada, la energía cinética se incrementa al aumentar la masa, así, un camión de tamaño grande, circulando a una velocidad de 90 kph, posee mayor energía cinética que un automóvil pequeño que viaja a la misma velocidad, esto debido que el camión grande tiene mayor masa que el auto. Debido a que los átomos y las moléculas, tienen masa y están en constante movimiento; por lo tanto, presentan energía cinética, aunque esto no sea tan evidente para nosotros, como la energía cinética de cuerpos y objetos más grandes. Los objetos también pueden tener otra forma de energía, ésta es: la llamada energía potencial, con respecto de su posición relativa con otros cuerpos, la energía potencial se manifiesta cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo; la fuerza mas conocida de este tipo, es la gravedad, por ejemplo, podemos imaginarnos a un ciclista sobre la cima de un cerro, la gravedad ejerce sobre los dos cuerpos (ciclista y bicicleta) una fuerza dirigida hacia el centro del planeta. En la cima del cerro, el ciclista y la bicicleta presentan una determinada energía potencial en virtud de su elevación con respecto a la base del cerro, su energía potencial se encuentra dada por la expresión: mgh, donde m, es la masa del objeto en cuestión, h es la altura del objeto relativa a alguna altura de referencia y, g es la constante gravitacional (9.8 m/s2). Una vez que inicie el movimiento, sin tener que llevar a cabo ningún otro esfuerzo adicional, el ciclista adquirirá velocidad al rodar cuesta abajo. Su energía potencial se ve reducida durante el descenso del cerro, pero la energía no desaparece; se convierte en otra forma de energía, principalmente en energía cinética, la energía del movimiento. Además, existe fricción entre las ruedas de la bicicleta y el pavimento, así como fricción del aire, las cuales generan cierta cantidad de calor. La gravedad es un tipo de fuerza importante para los cuerpos grandes, como el ciclista y la tierra, sin embargo, la química se ocupa del estudio principalmente, de objetos extremadamente pequeños como átomos y moléculas; y las fuerzas gravitacionales desempeñan un papel insignificante en la forma en que interactúan estos objetos microscópicos. Son más importantes las fuerzas que se originan de las cargas eléctricas. Una de las formas más importantes de energía potencial, es la energía electrostática, la cual se origina de las interacciones entre partículas cargadas eléctricamente. La energía potencial electrostática (Eel), es proporcional a las cargas eléctricas, Q1 y Q2, de los dos cuerpos que se encuentran interactuando, e inversamente proporcional a la distancia que los separa:

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Eel = kQ1Q2 d Donde K es la constante de proporcionalidad con un valor de 8.99 x 109 J-m/C2. Si Q1 y Q2 tienen el mismo signo, las dos cargas se repelen y Eel es positiva; cuando tienen cargas opuestas, se atraen y Eel es negativa, las energías mas estables se representan con valores mas bajos o negativos, mientras que las menos estables, es decir de repulsión, se representan con valores mas altos o positivos; al manejar objetos a nivel molecular, las cargas eléctricas Q1 y Q2 suelen tener el mismo orden de magnitud que la carga del electrón, es decir: 1.6 x 10–19 Coulombs. Como ya se comento, uno de los objetivos en química es relacionar los cambios de energía que observamos en el mundo microscópico, con la energía cinética o potencial de las sustancias en el nivel atómico o molecular. Muchas sustancias, como los combustibles, cuando reaccionan, liberan energía, ésta energía química debe su origen en la energía potencial almacenada en las estructuras atómicas de las sustancias, así mismo, veremos que la energía que posee una sustancia por su temperatura (su energía térmica) se encuentra asociada a la energía cinética de las moléculas de las sustancias. La cantidad de energía (calor), que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado, recibe el nombre de caloría (Cal). La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades se llama Joule (J) y el equivalente entre estas dos unidades es: 1caloria = 4.184 J Si queremos determinar la cantidad de energía (calor) en Joules que se necesitan para elevar la temperatura de 7.4 gramos de agua de 29° C a 46° C, como ya se comento 4.184 J de energía elevan la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado, en este caso existen 7.4 g de agua (en lugar de 1), por lo que se necesitaran 7.4 x 4.184 para elevar la temperatura en 1 grado. Pero sin embargo queremos elevar la temperatura de la muestra más de 1 grado centígrado, de hecho el cambio de temperatura es de 29 a 46 grados es decir una diferencia de 17° C, por lo tanto hay que aportar 17 veces la energía necesaria para subir la temperatura de 7.4g de agua 1° C. Este cálculo lo podemos resumir así: 4.184 J x 7.4g x 17 = 526 J Energía por Gramo de agua por grado de temperatura

gramos reales de agua

cambio real de temperatura

energía necesaria

Cuando empleamos la termodinámica para analizar cambios de energía, concentramos nuestra atención en una porción limitada y bien definida del universo, la parte que separamos para estudiar se denomina sistema; todo lo demás, recibe el nombre de entorno. Cuando estudiamos el cambio de energía que acompaña a una reacción química en el laboratorio, normalmente las sustancias químicas constituirán el sistema, el recipiente y todo lo demás se considera el entorno. Los sistemas cerrados son los mas fáciles de estudiar, un sistema cerrado es aquel que puede intercambiar energía pero no materia con su entorno, por ejemplo, consideremos una mezcla de hidrogeno gaseoso (H2), y oxigeno gaseoso, (O2), dentro de un cilindro. El sistema en este caso, es solo el hidrogeno y el oxigeno, el cilindro y todo lo que esta mas allá (incluidos nosotros) constituyen el entorno. Si el oxigeno y el hidrogeno reaccionan para formar agua, se libera energía: 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) + energía

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Aunque la estructura química de los átomos de los reactivos oxigeno e hidrogeno en el sistema, a sido alterada por ésta reacción, dicho sistema, no a perdido ni ganado masa, es decir, no intercambia materia con su entorno, lo que si intercambia con su entorno, es energía en forma de calor y trabajo, y éstas son cantidades que podemos medir Se conocen dos maneras o formas de experimentar cambios de energía: por ejemplo, un jugador de tenis transfiere energía al golpear la pelota con la raqueta, con lo que altera la dirección y rapidez del movimiento de la pelota. Así mismo otra forma de transferir energía es calentando los cuerpos. Por tanto, existen dos formas generales de transferir energía: haciendo que un objeto se mueva contra una fuerza o causando un cambio de temperatura. Una fuerza, es cualquier empuje o tracción que se ejerce sobre un objeto, como ya se menciono anteriormente con el ciclista, en donde la fuerza de gravedad atrae a la bicicleta haciendo que descienda de la cima del cerro a la base de este. La fuerza electrostática jala cargas distintas para juntarlas o empuja cargas iguales para separarlas. La energía que se usa para hacer que un objeto se mueva contra una fuerza se denomina trabajo, el trabajo (w) que efectuamos al mover objetos contra una fuerza es igual al producto de la fuerza (F) y la distancia (d) que el objeto se mueve: w=Fxd

Cuando nos encontramos levantando un objeto en contra de la fuerza de gravedad, estamos realizando un trabajo, o bien, cuando juntamos dos cargas del mismo signo. Si definimos el objeto como el sistema, entonces nosotros como parte del entorno, nos encontramos efectuando trabajo sobre el sistema, ya que le estamos transfiriendo energía, la cual podremos definir como la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor. Ya conocemos que la energía potencial de un sistema es capaz de transformarse en energía cinética, y viceversa; así mismo, sabemos también que la energía se puede transferir entre un sistema y su entorno en forma de trabajo y calor. En general, la energía se puede convertir de una forma a otra, y se puede transferir de una parte del universo a otra; lo que debemos entender, es como pueden darse estos intercambios de energía, ya sea como calor o trabajo, entre un sistema y su entorno. Iniciaremos de uno de los postulados más importantes de la ciencia: que la energía no se crea ni se destruye. Esta verdad universal, es conocida como la primera ley de la termodinámica, puede resumirse en una sencilla afirmación: la energía se conserva. Cualquier energía perdida por el sistema, deberá ser ganada por el entorno y viceversa La primera ley de la termodinámica nos servirá de base para analizar los cambios de energía en los sistemas químicos, para ello, debemos de considerar todas las fuentes de energía cinética y potencial del sistema. La energía interna de un sistema, es la suma de todas las energías cinéticas y potenciales de todas las partes que lo componen, por ejemplo, para un sistema formado de un cilindro, que contiene hidrogeno y oxigeno, la energía interna incluye no solo los movimientos e interacciones de las moléculas de H2 y O2 en el espacio, sus rotaciones y vibraciones internas, sino también las energías del núcleo de cada átomo y electrones que las constituyen. En general no conocemos el valor numérico de la energía interna real (E), lo que si podemos llegar a conocer es ΔE (cambio de energía), el cambio de energía que acompaña a un cambio en el sistema. Imaginemos que en un principio tenemos un sistema con una energía interna inicial (Einicial), luego el sistema sufre un cambio, en éste cambio, podría llevarse a cabo un trabajo o bien transferencia de calor. Después del cambio, la energía interna del sistema se considera como Efinal. Por lo tanto, definimos el cambio de energía interna, ΔE como la diferencia entre Efinal y Einicial: ΔE = Efinal - Einicial

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No se requiere conocer los valores reales de Efinal y Einicial del sistema, para poder llevar a cabo la aplicación de la primera ley de la termodinámica, solo necesitamos conocer el valor de ΔE. Las cantidades termodinámicas como ΔE se conforman de tres partes: un número y una unidad, que juntos nos dan la magnitud del cambio, y un signo que denota la dirección. Existe un ΔE positivo cuando Efinal > Einicial, lo que indica que el sistema gano energía de su entorno. Se obtiene un ΔE negativo cuando Efinal < Einicial, lo que indica que el sistema perdió energía a su entorno. El estado inicial del sistema en una reacción química se encuentra indicado por los reactivos, y el estado final se refiere a los productos. Cuando el hidrogeno y el oxigeno reacciona para forman agua, el sistema pierde energía hacia el entorno, en forma de calor; por lo tanto, el contenido de energía de los productos es menor que el de los reactivos, y ΔE para el proceso es negativo. Cuando se lleva a cabo un proceso en el cual el sistema absorbe calor, decimos que el proceso es endotérmico, (del vocablo “endo” que significa dentro o en el interior), durante un proceso de tipo endotérmico, por ejemplo, el de la fusión del hielo, el calor fluye hacia adentro del sistema, desde su entorno; si nosotros, como parte del entorno, tocamos un recipiente en el que se esta derritiendo el hielo, sentimos que está frío debido a que existe transferencia de calor de nuestra mano al recipiente. Un proceso en el cual el sistema desprende calor se considera como exotérmico (del vocablo “exo” que significa afuera). Durante un proceso de tipo exotérmico, como por ejemplo, el de la combustión de gasolina, el calor fluye hacia fuera del sistema, es decir, hacia el entorno circundante. Los cambios químicos son capaces de originar el desprendimiento o la absorción de calor; así mismo, pueden logar que se lleve a cabo un trabajo, todo esto, ya sea sobre el sistema o sobre el entorno. El tipo de trabajo más común producido por un cambio químico es el trabajo mecánico, por lo regular, realizamos reacciones químicas en el laboratorio, a presión constante, es decir, a presión atmosférica; en estas circunstancias se efectúa trabajo mecánico cuando se produce o consume gas en la reacción. Este tipo de trabajo se denomina trabajo de presión-volumen (trabajo P-V), si la presión es constante, el trabajo presión-volumen esta dado por: W = -P ΔV Donde ΔV es el cambio de volumen, si el cambio de volumen es positivo, el trabajo efectuado por el sistema es negativo, es decir, se trata de un trabajo que el sistema hace sobre el entorno La función termodinámica llamada entalpía (del vocablo griego “enthalpien”, que significa “calentar”) representa el flujo de calor durante cambios químicos que se realizan a presión constante cuando no se efectúa más trabajo que el trabajo presión-volumen, la entalpía que denotamos con el símbolo H, es igual a la energía interna mas el producto de la presión y el volumen del sistema: H = E + PV

La entalpía es una función de estado, debido a que la energía interna, la presión y el volumen, son funciones de estado. Supongamos ahora que se efectúa un cambio a presión constante, entonces: ΔH = Δ (E + PV)

= ΔE + P ΔV Por lo tanto, el cambio de entalpía esta dado por el cambio de energía interna más el producto de la presión constante y el cambio de volumen. 57

Como ya se menciono anteriormente, el cambio de entalpía es igual al calor ganado o perdido, a una presión constante, y como el cambio de calor, es a presión constante, esto es algo que podemos medir o calcular de manera fácil, y como la mayoría de los cambios químicos que interesan al ser humano, se llevan a cabo a presión constante, podemos considerar que la entalpía es una función mas útil que la energía interna. En la mayor parte de las reacciones químicas la diferencia entre ΔH y ΔE es pequeña debido a que PΔV es pequeño Si el cambio de entalpía (ΔH) es positivo, es decir, si el cambio de calor a presión constante es positivo, el sistema habrá ganado (absorbido) calor del entorno, o sea que el proceso fue endotérmico. Si el cambio de entalpía (ΔH) es negativo, el sistema habrá liberado calor hacia el entorno, o sea que el proceso fue exotérmico. Dado que ΔH = Final – Inicial, el cambio de entalpía para una reacción química se encuentra dado por la entalpía de los productos, menos la entalpía de los reactivos: ΔH = H (productos) – H (reactivos)

El cambio de entalpía que acompaña a una reacción química, se denomina entalpía de reacción o simplemente, calor de reacción, y suele escribirse ΔHr, donde “r” es una abreviación usada comúnmente para reacción. Por ejemplo, en la combustión de hidrogeno, si controlamos la reacción de modo que 2 mol de H2(g) ardan para formar 2 mol H2O(g) a presión constante, el sistema liberará 483.6 kJ de calor, podemos resumir esta información así: 2 H2(g) + O2(g)

2 H2O(g)

ΔH = -483.6kJ

Como en la reacción anterior, ΔH es negativo, por lo tanto ésta es una reacción de tipo exotérmica, es decir, libera calor, Observe que el cambio de entalpía (ΔH) se da al final de la ecuación balanceada, sin mencionar de manera explicita la cantidad de sustancias que intervienen. En tales casos, los coeficientes de la ecuación balanceada representan los números de moles de reactivos y productos que producen el cambio de entalpía indicado.

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Lectura Caminar sobre brasas: ¿Magia o ciencia? Durante milenios, las personas se han sorprendido por la capacidad de los míticos del Este para caminar sobre lechos de carbones ardientes sin incomodidad aparente. Incluso en Mexicali cientos de personas han caminado sobre brasas como parte de seminarios de motivación. ¿Cómo es posible esto? ¿Tienen poderes sobrenaturales estas personas? Actualmente contamos con una buena explicación científica sobre lo que hace caminar sobre brasas, en primer lugar, los tejidos de los seres humanos se encuentran formados en gran parte por agua, la cual tiene una capacidad calorífica específica relativamente grande. Esto implica que es necesario que se trasfiera una gran cantidad de energía de los carbones a los pies para que varíe de manera significativa la temperatura de estos últimos. Durante el breve contacto de los pies con los carbones al caminar sobre las brasas, hay relativamente poco tiempo para que fluya la energía, por lo tanto los pies no alcanzan una temperatura suficientemente alta para sufrir daños. En segundo lugar, aunque la superficie de los carbones tiene muy alta temperatura, la capa que esta al rojo vivo es muy delgada, por lo tanto, la cantidad de energía disponible para calentar los pies es menor que lo que era de esperarse. Un tercer factor que ayuda a caminar sobre las brasas es el llamado efecto Leidenfrost, el cual es un fenómeno que permite que las gotitas de agua circulen sobre rejillas calientes durante tiempo sorprendentemente largo. La parte de la gota en contacto con la superficie caliente se evapora primero formando una capa gaseoso que permite que la gotita se desplace y actué como una barrera que impide que la energía fluya con facilidad hacia el resto de la gotita de agua. La sudoración de los pies, en las personas que caminan sobre brasas y posiblemente se encuentran muy tensas, tiene el mismo efecto; y como la caminata sobre brasas se realiza en la noche cuando el zacate alrededor esta húmedo, los pies de las personas probablemente están húmedos y tengan suficiente contenido de humedad como para que se produzca el efecto Leidenfrost. Por tanto, aunque caminar sobre brasas es sorprendente, hay diversos motivos científicos que explican que cualquier persona con el entrenamiento adecuado pueda hacerlo sobre unas brasas preparadas adecuadamente, ¡pero es mejor no intentarlo!

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Actividad

1. Convierte las siguientes cifras de calorías a joules a) 150cal b) 4462 cal c) 10 cal d) 4.184 cal 2. Convierte las siguientes cifras de joules a calorías a) 4.184 J b) 1520 J c) 8.02 J d) 23.29 J 3. Calcula la cantidad de energía en calorías que se requiere para calentar 145g de agua, de 22.3° C a una temperatura de 75.0° C

4. Calcula la energía en joules que se requieren para calentar 75g de agua de 25° C a 39° C

5. ¿De que materiales se conforma toda la materia del universo? ____________________________________________________________________________ 6.

¿Qué entiendes por compuesto? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

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7. Menciona los principales elementos que conforman el cuerpo humano ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 8. ¿Cuál es el elemento más abundante en el planeta? _________________________________ 9.

¿Qué es una mezcla heterogénea? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

10. ¿Qué es una mezcla homogénea? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 11. ¿Qué es una sustancia pura? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 12. Define el concepto de energía ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 13. ¿Qué sucede con el movimiento de las partículas que conforman una sustancia al aumentar ésta su temperatura? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 14. Define el termino caloría ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ 15. ¿Qué es un Joule? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________

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Unidad II “El átomo” Leyes Ponderales.

A lo largo de la historia de la humanidad el ser humano se a interesado por conocer la composición de la materia, esto es, no solamente saber cuales elementos o compuestos conforman a los materiales sino, también conocer en que cantidad se encuentran presentes y poder llegar a establecer relaciones cuantitativas entre ellos. A través del tiempo, el hombre a llevado a cabo mucha investigación para poder establecer la estructura de la materia tal y como la conocemos en la actualidad, el conocimiento moderno que tenemos sobre la estructura del átomo se debe al resultado del incesante trabajo de varias generaciones de científicos, pero sin embrago, dicho conocimiento no es completo ni absoluto Una de las mas grandes inquietudes del ser humano, a sido el conocer de que manera se encuentra constituida la materia, para así poder logar entender su comportamiento; a través del curso de la historia, se han llevado a cabo gran cantidad de investigaciones para poder arribar al concepto actual sobre la estructura de la materia. Hacia el año 600 a de C. los filósofos griegos ya se hacían cuestionamientos sobre la propiedad de divisibilidad de la materia, y con la intención de encontrar una explicación sobre la constitución de la materia propusieron varias hipótesis; una de ellas, fue la del filosofo Empédocles, el cual afirmaba que la materia era continua y estaba formada por cuatro elementos: agua, tierra, aire y fuego. Leucipo por el contrario, supuso que finalmente una de las partículas obtenidas al dividir la materia, seria tan pequeña que ya no se podría dividir más. Demócrito quien fue discípulo de Leucipo continúo con esta teoría y llamo átomo (indivisible) a las partículas más pequeñas que ya no se podían dividir más, supuso que los átomos de cada elemento, eran de diferente forma y tamaño y dichas diferencias eran las responsables de conferir las características y propiedades específicas de los elementos. Estos dos filósofos pensaban que la materia era de tipo discontinuo, es decir en ella existían espacios vacíos, además, se podía dividir hasta el punto en que las partículas que la integran son invisibles e indivisibles. Como todas estas ideas no se basaban en observaciones de tipo científico, sus hipótesis eran solamente de tipo especulativo y tenían la aceptación según la importancia por la sabiduría del filósofo que la proponía. Para muchos filósofos y en especial para Aristóteles, la idea de una partícula de la materia, no divisible en otras mas pequeñas resultaba una idea extraña y opuesta al sentido común, razón por la que no la aceptaban y esta teoría atomista se volvió poco popular y no se tubo en cuenta hasta casi dos mil años después de Demócrito, cuando John Dalton expuso en 1803 su nueva versión de la teoría atómica El conjunto de leyes, que tienen como objetivo el estudio del peso relativo de las sustancias en una reacción química, entre dos o más elementos químicos, son conocidas como leyes ponderales. Estas leyes que rigen las combinaciones químicas que se dan al reaccionar dos o más elementos, nos indican la proporción en masa y volumen, que se mezclaran para producir un determinado compuesto. Estas leyes se denominan con el nombre de ponderales por referirse al peso de las sustancias que reaccionan. Son leyes empíricas • Ley de la conservación de la materia. • Ley de la conservación de la energía.

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• • • •

Ley de la conservación de la masa y energía. Ley de las proporciones constantes (proporciones definidas o de Proust). Ley de las proporciones múltiples o de Dalton. Ley de las proporciones equivalentes o ley de Richter Wencel.

Ley de la conservación de la materia.

Antonio Laurent de Lavoisier (1743-1794), químico francés, considerado el fundador de la química moderna. Desde el inicio de sus investigaciones químicas, Antonio Lavoisier se dio cuenta de la importancia de llevar a cabo mediciones precisas. Los experimentos de Lavoisier fueron de los primeros experimentos químicos realmente cuantitativos que se realizaron, demostró que en una reacción química, la cantidad de materia es la misma al final y al comienzo de la reacción. Estos experimentos proporcionaron pruebas para la ley de la conservación de la materia y la masa. Lavoisier también investigó la composición del agua y denominó a sus componentes oxígeno e hidrógeno. Lavoisier observo, que si en el transcurso de los experimentos que llevo a cabo dentro de un recipiente cerrado, de manera que ninguno de las sustancias de la reacción escapara, y considerando todos los materiales que tomaban parte en la reacción química, así como el total de los productos formados, nunca habría un cambio de masa. Esta observación fue la base de la química del sigo XIX. Este resultado se debe al químico francés A. L. Lavoisier, quien lo formulo en 1774. Considerando que “La ley de la conservación de la masa dice que en cualquier reacción química la masa se conserva, es decir, la masa y la materia ni se crea ni se destruye, sólo se transforma y permanece invariable.” La ley de la conservación de la materia nos indica, que en cualquier transformación de la materia, ésta no se crea ni se destruye, solo se transforma. Antonio Lorenzo Lavoisier formuló esta ley la cual se puede constatar al observar que la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos. Ejemplo:

2KI

+ Pb (NO3)2

332

331

PbI2 + 2KNO3 461

663

202 663

Masa Atómica: K = 39;

I = 127;

Pb = 207;

N = 14; O = 16

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Podemos observar que al ocurrir una reacción química, no se detecta un cambio en la masa total de las sustancias que se encuentran participando en la reacción química, lo anterior, es a causa a que solamente ocurre una disociación y asociación de átomos, pero no una perdida de estos, es decir, los átomos solamente se reagrupan de manera diferente, dando forma a nuevos compuestos. Es así, que como los átomos no se crean ni se destruyen en una reacción química, la masa total de los reactivos, debe de ser siempre igual a la de los productos de la reacción

Ley de la conservación de la energía.

Sabemos que la energía potencial de un sistema se puede convertir en energía cinética y viceversa, así mismo, conocemos que la energía se puede transferir entre un sistema y su entorno en forma de trabajo y calor. En general, la energía se puede convertir de una forma a otra, y se puede transferir de una parte del universo a otra, con esto tratamos de entender de que manera se producen estos intercambios de energía como calor o trabajo entre un sistema y su entorno; para esto, partimos de la observación mas importante en la ciencia, que la energía no se crea ni se destruye, esta verdad universal se conoce como la primera ley de la termodinámica y se resume en una sencilla afirmación: la energía se conserva. Cualquier energía perdida por el sistema deberá de ser ganada por el entorno y viceversa La ley de la conservación de la energía, normalmente cuando sucede una reacción química también se da un cambio de energía, ya sea que la reacción sea exotérmica (libere energía) o bien que necesite energía para llevarse a cabo (endotérmica). Cuando se da un proceso químico la energía no se crea ni se destruye solo se transforma, esto constituye la ley de la conservación de la energía, la cual es también llamada ley de la termodinámica; por ejemplo, un jugador de billar al golpear con el taco una bola, la energía mecánica del movimiento del taco se transforma en energía cinética en la bola.

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Ley de la conservación de la masa y energía.

La energía puede ser convertida de cualquiera de sus formas en otra más, sin importar la forma en que se adquiera o transfiera; de manera constante la energía total antes del proceso y después de éste es igual, es decir, la energía se conserva. Albert Einstein es el científico más conocido de la era moderna, ya para 1905 nos había dado a conocer su famosa teoría de relatividad, al hacerlo, dedujo la relación entre la materia y la energía, con la cual dio origen a la ley de la conservación de la masa y energía. La ecuación de Einstein es conocida mundialmente como E = mc2; donde “E” es energía, “m” equivale a la masa y, “c” es igual a la velocidad de la luz. Según éste científico, una cantidad dada de masa se transforma siempre en una cantidad definida de energía, por lo que es posible afirmar que la suma total de la materia y la energía en el universo permanece constante. La masa de los reactivos y productos, son iguales aunque en algunas ocasiones se presentan reacciones con pérdida de masa o energía, pero en forma mínima, y estas son ganadas en otra materia o energía en el universo, ya que es intercambiable.

Lectura: Osos polares solares El oso polar, una bestia real que ha dominado las regiones árticas durante miles de años puede existir en este medio increíblemente hostil en parte debido a su piel que es un absorbente y convertidor perfecto de la radiación solar. ¿De que color es la piel de un oso polar? La respuesta evidente es “blanca”, aunque incorrecta, los pelos de la piel del oso polar son totalmente incoloros y transparentes. El oso tiene apariencia blanca por la manera en que la superficie internas ásperas de los pelos huecos reflejan la luz visible, la característica mas interesante de estas fibras huecas es su capacidad para funcionar como convertidores solares diseñados para atrapar la luz ultravioleta y transmitirla a la dermis negra del oso; en el verano, el sol cubre directamente hasta el 25% de los requerimientos totales de energía del oso y permite que a pesar de su gran actividad persiga presas, y aun siga formando las capas de grasa necesarias para su supervivencia en el invierno. Este sistema fascinante asegura que aunque la dermis del oso polar este muy caliente, las capas mas externas de la misma se encuentran a una temperatura aproximada a la de sus alrededores, en vista de esta pequeña diferencia de temperatura entra las capas externas de la piel y el aire, el oso pierde muy poca energía por fugas de calor al medio ambiente. Los seres humanos que continúan buscando fuentes de energía mas eficientes podrían beneficiarse en forma considerable de la piel del osos polar, es evidente que seria imposible cubrir los techos de las casas con la piel de osos polar, pero el pelo del oso polar es un modelo excelente para el posible desarrollo de fibras ópticas sintéticas que convierten la energía radiante solar en formas de energía

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Ley de las proporciones constantes.

Los trabajos de investigación de Lavoisier despertaron el interés de algunos otros científicos, entre ellos el de Joseph Proust, quien en 1808 tras ocho años de llevar acabo trabajos de investigación referente al análisis elemental de varios compuestos, observo que algunas sustancias especificas presentan siempre elementos en la misma proporción de masa, y llego a la conclusión de que para formar un determinado compuesto, dos o mas elementos químicos se unen y siempre en la misma proporción ponderal, estableciendo de esta manera, la ley denominada de las proporciones constantes, que fue publicada en 1799, ocho años antes de que Dalton diera a conocer su teoría atómica La ley de las proporciones constantes, conocida también como de proporciones definidas o ley de Proust nos dice que cuando un elemento se une con otro para formar un compuesto, siempre lo hace en una proporción fija de manera invariable; dicho de otra manera, es que todo compuesto químico está formado siempre por la misma proporción de cada uno de sus elementos. Por ejemplo: 32g de oxigeno reaccionan con 4g de hidrogeno para formar 36g de agua, y se representa de la siguiente manera: O2 + 2H2 32g

4g

2H2O 36g

La relación de masa en que estas estos elementos es la siguiente: gramos de O2 gramos de H2

=

32 4

= 8:1

Por lo tanto la proporción en cantidad de átomos será: 1: 2 Sin embargo, debemos de mencionar que la ley de Proust no se cumple de manera exacta. Esto se debe a que la masa atómica promedio de los elementos químicos, depende de la composición isotópica de éstos. Por lo que la masa puede variar según su origen. Tampoco cumplen esta ley algunos sólidos iónicos, como el óxido de zinc o el sulfuro de cobre (II) o bien los semiconductores extrínsecos, debido a defectos en la red cristalina. Estas sustancias reciben el nombre de compuestos no estequiométricos o bertólidos en honor a Berthollet.

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Ley de las proporciones múltiples.

Cuando Dalton propuso se teoría atómica, explicó, de manera conjunta y en forma de postulados, las observaciones experimentales conocidas hasta esa época, sobre la naturaleza de la materia, confirmando de ésta manera, la conclusiones de Lavoisier y Proust; en su teoría, Dalton apoya la idea de que los elementos se encuentran conformados por átomos, y considera a éstos, las partículas de menor tamaño e indivisibles que conforman la materia, con base en su teoría, Dalton, propone una nueva ley, al descubrir que algunos elementos pueden combinarse entre si, en mas de una proporción en masa, formando mas de un compuesto. Como sabemos, Dalton elaboró la primera teoría atómica y realizó numerosos trabajos de los cuales formuló en 1803: “Cuando dos o más elementos pueden formar más de un compuesto, las cantidades de uno de ellos que se combinan con una cantidad fija del otro, guardan entre sí relación de números enteros sencillos”. La ley de las proporciones múltiples, también conocida como la ley de Dalton se refiere a que al combinarse un elemento con otro no siempre puede ser en la misma relación, sino que puede hacerlo en diferente proporciones originando de esta manera diferentes compuestos que tienen una relación sencilla en números enteros de manera general múltiples el uno del otro, es decir con una relación de 1:1, 1:2, 2:1, etc. Esta ley nos explica que diferentes compuestos que contienen los mismos dos elementos presentan una composición relativa en masa uno con respecto al otro, así mismo, que dicha relación se exprese en proporciones múltiples. Es decir, si dos o más elementos se combinan para formar diferentes compuestos, la masa de uno de ellos, que se une a la masa fija de otro, está en relación sencilla con respecto a la del otro, en proporciones múltiples simples y en números enteros. Lo anterior lo podemos llegar a resumir de la siguiente manera, los átomos de dos o más elementos pueden llegar a combinarse en relaciones diferentes y formular más de un compuesto. Nombre del compuesto

Fórmula

Masa en gramos de uno de los átomos en proporción constante

Masa del otro elemento que varia

Relación

Oxido nitroso Oxido nítrico Tritóxido de nitrógeno Pentoxido de nitrógeno

N 20 N2O2 ó NO N2O3

28.0 28.0 28.0

16 = (1x16) 32 = (2x16) 48 = (3x16)

2:1 2:2 2:3

N2O5

28.0

80 = (5x16)

2:5

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Ley de las proporciones equivalentes.

Durante el año de 1792 el químico de origen alemán J. B. Richter Wenzel publico un libro titulado “Fundamentos de la estequiometría”, en el cual, se utiliza por primera vez dicho vocablo. La ley de las proporciones equivalentes, también conocida como ley de las proporciones recíprocas o de Richter Wencel, menciona que cuando dos elementos diferentes, se combinan de manera separada con una masa diferente de un tercer elemento, sus masas relativas con las que se combinan los dos primeros entre ellos, serán las mismas con las que se combinan con el tercer elemento, o también múltiplos o submúltiplos de ellos. Es decir, esta ley nos indica que los pesos de dos sustancias que se combinan con un peso conocido de otra tercera son químicamente equivalentes entre si. Por ejemplo, si reaccionan 58.5g de cloruro de sodio (NaCl) con 49g de ácido sulfúrico (H2SO4); así mismo si 170g de nitrato de plata (AgNO3) reaccionan con 49g de ácido sulfúrico (H2SO4). ¿Cuántos gramos de AgNO3 reaccionaran con 58.5g de NaCl? NaCl

H2SO4

58.5g

49g

AgNO3

H2SO4

170g

49g

Por lo tanto de acuerdo a esta ley se requieren 170g de AgNO3 para reaccionar con 49g de H2SO4. En 1792, antes de que Proust y Dalton enunciaran sus leyes, Richter enunció esta ley: “Si pesos de distintos elementos se combinan con un mismo peso de un elemento determinado, cuando esos elementos se combinen entre sí, sus pesos relativos serán múltiplos o submúltiplos de aquellos pesos” Esto dio origen al concepto de “peso equivalente”: Peso equivalente de un elemento es la cantidad del mismo que se combina con 8 g. de Oxígeno, o con 1.008 g. de Hidrógeno. Las masas de elementos diferentes que se combinan con una misma masa de un elemento dado, son las masas con que se combinan entre sí, o bien múltiplos a submúltiplos de dichas masas. Podemos definir a la masa de combinación o peso equivalente de un elemento como: la masa de éste que se combina con 8 g de oxígeno. Se halló que la masa equivalente más pequeña era la del hidrógeno, a esta masa se le asignó el valor uno y se tomó como referencia. El peso equivalente de un elemento depende del tipo de compuesto formado.

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Actividad

1. ¿De que le sirve al ser humano conocer la manera que se encuentra constituida la materia? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 2. Menciona el concepto de la ley de Richter Wencel __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 3. ¿Que teoría propuso el filósofo griego Empédocles con respecto ala constitución de la materia? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 4. ¿Qué científico es el autor de la ley de las proporciones constantes? __________________________________________________________________________________ 5. ¿Quien fue la primera persona en denominar átomo a las partículas constituyentes de la materia? _______________________________________________________________________________ 6. Describe la teoría de Demócrito con respecto a la formación de la materia __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 7. Describe la ley de la conservación de la masa y la energía __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 8. ¿Que son las leyes ponderales? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 69

9. Define la ley de las proporciones múltiples __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 10. ¿Qué significa que una reacción química sea exotérmica? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 11. Esta ley nos dice que nada se crea ni se destruye, solo se transforma __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________

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Modelos atómicos Teoría Atómica de Dalton

Cada sustancia del universo, las piedras, el mar, nosotros mismos, los planetas y hasta las estrellas más lejanas, están enteramente formada por pequeñas partículas llamadas átomos. Estas partículas son tan pequeñas que para hacernos una idea de su tamaño, un punto de éste renglón puede contener dos mil millones de átomos, estas pequeñas partículas son estudiadas por la química, ciencia que surgió en la edad media y que se encarga de estudio de la materia. Pero como ya sabemos, la materia se encuentra formada por átomos; por lo que para comprender estos átomos, a lo largo de la historia diferentes científicos han enunciado una serie de teorías que nos ayudan a comprender la complejidad de estas partículas. Estas teorías significan el asentamiento de la química moderna. Como ya hemos dicho antes, la química surgió en la edad media, lo que quiere decir que ya se conocía el átomo pero no del todo, así, durante la época del renacimiento esta ciencia evoluciona de manera muy fuerte. Posteriormente, a fines del siglo XVIII se descubren un gran número de elementos, pero este no es el avance más notable ya que éste consiste cuando Lavoisier da una interpretación correcta al fenómeno de la combustión. Ya en el siglo XIX se establecen diferentes leyes de la combinación y con la clasificación periódica de los elementos (1871) se potencía el estudio de la constitución de los átomos. En la actualidad, el objetivo de la química es coadyuvar a la interpretación de la composición, propiedades, estructura y transformaciones del universo, pero para hacer todo esto, hemos de empezar de lo más simple y eso son los átomos, que hoy conocemos gracias a esas teorías enunciadas a lo largo de la historia. Como ya sabemos, todos los materiales que se encuentran rodeándonos en el planeta, se conforman de diferentes sustancias, algunos vivos, otros inertes, aunado a esto, la materia con frecuencia sufre cambios de una forma química a otra diferente. En sus intentos por poder explicar estos cambios observados, los filósofos antiguos llegaron a especular sobre la naturaleza del material fundamental del que se encontraba conformado el mundo. El filosofo griego Demócrito, consideraba que todo lo material debía de estar constituido por diminutas partículas indivisibles, a las cuales denomino átomo, que significa indivisible. Posteriormente, Platón y Aristóteles proponen la noción de que no pueden existir partículas indivisibles, lo que conllevo a la desaparición de la perspectiva atómica de la materia, la cual se conservo durante muchos siglos, durante los cuales la filosofía aristotélica domino la cultura occidental Desde tiempos antiguos la humanidad ha utilizado los cambios químicos para su beneficio, el proceso para fabricar metales, el uso de líquidos embalsamadores, son dos aplicaciones de la química, que fueron utilizadas desde mil años antes de cristo. Los griegos, fueron los primeros en intentar dar una explicación del porque sucedían los cambios químicos, aproximadamente 400 a de C. proponían que toda la materia estaba compuesta de cuatro sustancias fundamentales: agua, tierra, fuego y aire. Durante los siguientes 2,000 años de historia de la química, fueron dominados por la alquimia, estos alquimistas, eran místicos o aficionados, obsesionados por la idea de logar transformar los metales de bajo costo (plomo) en oro. Sin embargo, también se debe destacar que durante este periodo de la historia de la química, sucedieron descubrimientos importantes, por ejemplo el descubrimiento de elementos como: mercurio, azufre y antimonio, así mismo durante esta época de la humanidad, los alquimistas lograron la preparación de algunos ácidos 71

Cuando los científicos de la época moderna, aprendieron a cuantificar las cantidades de materiales que reaccionaban para producir nuevas sustancias, se sentaron las bases para una teoría química al hacer las siguientes observaciones: 1. La mayoría de los materiales naturales son mezclas de sustancias puras. 2. Las sustancias puras son elementos o combinaciones. 3. Un compuesto dado, siempre contiene la misma proporción de elementos en masa, esto de acuerdo a la ley de la composición constante que nos indica que un compuesto dado presenta la misma composición sin importar de donde provenga. Después de llevar a cabo una gran cantidad de observaciones, John Dalton ofreció una explicación de estos, mediante su teoría atómica en 1808. Las principales ideas de este modelo atómico son las siguientes: • Cada elemento está formado por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. • Todos los átomos de un determinado elemento son idénticos, los átomos de elementos diferentes son diferentes por lo que presentan propiedades distintas. • Los átomos de un elemento se pueden combinar con los de otros elementos para formar compuestos, un compuesto siempre tiene el mismo número relativo de la misma clase de átomos. • Los átomos de un elemento no se transforman en otro tipo de átomos diferentes durante una reacción química, es decir, los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas; una reacción solo cambia la forma en que se encuentran agrupados.

La teoría atómica propuesta por Dalton otorgo la explicación para la composición de los compuestos que fue aceptada por la comunidad científica de la época, la cual adopto el concepto de que los elementos se encuentran formados por átomos y los compuestos son un conjunto específico de átomos unidos de una cierta manera. Según la teoría atómica de Dalton, los átomos son los ladrillos de construcción básicos de la materia; son las partículas más pequeñas de un elemento y conservan las propiedades y características particulares de éste. Como ya se menciono en los postulados de la teoría de Dalton, un elemento se conforma de una sola clase de átomos, en tanto que un compuesto contiene átomos de dos o más elementos. El modelo propuesto por Dalton logró clarificar observaciones importantes como la ley de proporciones constantes; al darle sentido a ésta, explicando que sí una sustancia está formada por el mismo tipo de átomos, presentará siempre las mismas proporciones en masa de los diferentes elementos. Con su modelo atómico, Dalton explico las leyes ponderales de la química; con este modelo, se hace referencia a la existencia de átomos imaginándolos como esferas, aunque, se mencionaba que “su existencia es casi dudosa debido a que no se pueden ver”. Tuvieron que transcurrir casi 170 años, para que los átomos se pudieran observar empleando técnicas de microscopia de barrido de túnel. Como sea, el modelo de Dalton tuvo un gran éxito, ya que explicaba el comportamiento microscópico de la materia, dado por las leyes ponderales, a partir de su estructura microscópica, Dalton efectuó sus conclusiones sobre los átomos, basándose solamente, en sus observaciones químicas a nivel macroscópico del laboratorio, ni el, ni los que le siguieron durante mas de cien años después, tenían pruebas directas de la existencia de los 72

átomos. A mediados del siglo XIX, unos años después de que Dalton enunciara se teoría, se desencadenó una serie de acontecimientos que fueron introduciendo modificaciones al modelo atómico inicial. De hecho, el mundo atómico es tan infinitamente pequeño para nosotros que resulta muy difícil su conocimiento. Nos hallamos frente a él como si estuviésemos delante de una caja cerrada que no se pudiese abrir. Para conocer su contenido solamente podríamos proceder a manipular la caja (moverla en distintas direcciones, escuchar el ruido, pesarla...) y formular un modelo de acuerdo con nuestra experiencia. Este modelo sería válido hasta que nuevas experiencias nos indujeran a cambiarlo por otro. De la misma manera se ha ido construyendo el modelo atómico actual; de Dalton hasta nuestros días se han ido sucediendo diferentes experiencias que han llevado a la formulación de una serie de modelos invalidados sucesivamente a la luz de nuevos acontecimientos. En la actualidad en cambio, podemos utilizar potentes aparatos capaces de cuantificar, de manera individual, las propiedades y características de los átomos, e incluso, llegar a obtener imágenes de ellos. A medida que los investigadores fueron capaces de desarrollar métodos para conocer mas a fondo la naturaleza de la materia, el átomo, al que creíamos indivisible, comenzó a revelar indicios de una estructura mas compleja; se conoce actualmente que el átomo se conforma de componentes mas pequeños llamados partículas subatómicas, las cuales presentan una carga eléctrica, algunas positivas llamadas protones, y algunas negativas llamadas electrones, y algunas otras llamadas neutrones, las cuales no presentan carga eléctrica. A partir de los avances en tecnología se han realizado descubrimientos sobre la estructura de la materia, que contradicen algunos postulados de la teoría de Dalton, por ejemplo: ƒ Los átomos si son divisibles y tienen una estructura interna formada por otras partículas llamadas protones, neutrones y electrones ƒ Existen átomos de un mismo elemento con masas diferentes llamados isótopos ƒ Al descubrirse la radioactividad, se descubre también que un átomo de un determinado elemento si puede convertirse en uno de otro elemento ƒ Así mismo no considero el que dos átomos de un mismo elemento se pueden combinar para formar una molécula, por ejemplo: oxigeno (O2), ozono (O3)

Modelo Atómico de J.J. Thompson

Con base en la teoría atómica de Dalton, los científicos de la época aceptaron el concepto, de que toda la materia se encontraba formada por átomos, unidos de cierta manera; aunque algunos de estos investigadores se cuestionaban, ¿qué forma tendría, cómo serían sus partes y sí se podrían separar? Algunos investigadores de finales del siglo XIX encontraron pruebas convincentes de que los átomos estaban formados de distintas partes. El científico británico Joseph John Thompson fue el físico ingles que a finales del siglo XIX propuso que los átomos emiten pequeñas partículas de carga negativa y llegó a la conclusión de que cualquier tipo de átomo contiene estas partículas negativas, a los que hoy conocemos como electrones. Basándose en sus experimentos, Thompson se cuestionaba como sería la estructura de estas partículas en el átomo, ya que durante sus experimentos detectó que el átomo, 73

como un todo, no presentaba carga eléctrica, llegando entonces a la conclusión de que también deberían de existir partículas con carga positiva, que equilibraban las cargas eléctricas negativas de los electrones, de esta manera la carga total del átomo sería equivalente a cero. Según el modelo de Thompson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thompson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante como sucedía en los tubos de descarga. J. J. Thompson demostró en 1897 que estos rayos se desviaban también en un campo eléctrico y eran atraídos por el polo positivo, lo que probaba que eran cargas eléctricas negativas. Calculó también la relación entre la carga y la masa de estas partículas. Para este cálculo realizó un experimento: hizo pasar un haz de rayos catódicos por un campo eléctrico y uno magnético, cada uno de estos campos, actuando aisladamente, desviaba el haz de rayos en sentidos opuestos, si se dejaba fijo el campo eléctrico, el campo magnético podía variarse hasta conseguir que el haz de rayos siguiera la trayectoria horizontal original; en este momento las fuerzas eléctricas y magnética eran iguales y, por ser de sentido contrario se anulaban. El segundo paso consistía en eliminar el campo magnético y medir la desviación sufrida por el haz debido al campo eléctrico. Resulta que los rayos catódicos tienen una relación carga a masa más de 1.000 veces superior a la de cualquier ion. Esta constatación llevó a Thomson a suponer que las partículas que forman los rayos catódicos no eran átomos cargados sino fragmentos de átomos, es decir, partículas subatómicas a las que llamó electrones. Después de conocer los resultados de la teoría atómica de Dalton, otros científicos continuaron investigando sobre la estructura interna de la materia, durante la ultima década del siglo XIX, se conocieron los resultados de una serie de experimentos llevados a cabo con electricidad, así como el descubrimiento de la radiactividad, demostraron que en realidad el átomo no es un partícula indivisible como lo proponía Dalton, pues se llego a la conclusión de que esta conformado por tres partículas subatómicas fundamentales: electrón, protón y neutrón. Durante los últimos años, el ser humano se ha interesado por adentrarse mas, en el conocimiento de la estructura interna del átomo, llegando a descubrir subpartículas, como: el positrón, el neutrinio, el mesón y los quark, cuyas características y propiedades aun se encuentran en estudio

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Lectura: Tubos luminosos para anuncios, televisiones y computadoras J.J. Thompson descubrió que los átomos contienen electrones mediante un dispositivo llamado tubo de rayos catódicos, al efectuar sus experimentos nunca imagino que estaba haciendo posible la construcción de televisores y monitores de computadora. El tubo de rayos catódicos es un tubo de vidrio sellado que contiene un gas y placas metálicas separadas conectadas a alambres externos. Cuando se aplica una fuente de energía eléctrica a las placas se produce un haz luminoso. Thompson se convenció de que el haz luminoso era ocasionado por una corriente de partículas con carga negativa que procedían de la placa metálica, además, como siempre obtuvo el mismo tipo de partículas negativas sin importar el metal empleado, llego a la conclusión de que todos los átomos contenían partículas negativas. El tubo de rayos catódicos de Thompson tiene muchas aplicaciones en la actualidad, por ejemplo, los anuncios de “neón” constan de tubos de rayos catódicos de diámetro pequeño que contienen distintos tipos de gases para producir colores diferentes. Cuando el gas del tubo es neón, el tubo brilla con un color rojo anaranjado; si e trata de argón, adquiere luminosidad azulosa, la presencia de kriptón produce una luz blanca intensa. La pantalla del televisor o del monitor de computadora también es fundamentalmente un tubo de rayos catódicos; en este caso los electrones chocan contra una pantalla que contiene compuestos químicos que brillan al ser golpeados por los electrones en movimiento rápido.

Modelo Atómico de William Thompson

William Thompson, aunque fue mas conocido con el nombre de Lord Kelvin, fue otro de los científicos que se dedicó a investigar respecto a la estructura del átomo y presentó un modelo en el cual, el átomo era parecido a un pudín con pasas (distribuidas de manera aleatoria en su interior), este investigador consideraba al átomo como un pudín uniforme con carga eléctrica positiva, con suficientes electrones dentro, capaz de balancear dichas cargas. A principios de 1910 este modelo era la única descripción existente de un átomo, sin embargo los conceptos atómicos cambiarían de forma drástica al año siguiente. Nube esférica de carga positiva

Electrones

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Modelo Atómico de Ernest Rutherford

Las investigaciones con respecto al átomo eran muchas; científicos como Julios Plucket, William Crookes, Robert Millikan, Eugen Goldstein, llevaban a cabo experimentos con relación al flujo de electrones cuando formaban rayos catódicos. Así mismo, de esta manera se descubrieron los famosos rayos “x”, esto fue en el año de 1895 por el físico alemán Wilheim Roentgen mientras estudiaba algunas sustancias que resplandecían al contacto con los rayos catódicos; otro de los grandes descubrimientos de esos tiempos fue la radiactividad, iniciado por Hennry Becquerel al intentar demostrar que las sustancias fosforescentes podían producir rayos “x” al exponerlas a la luz del sol; este descubrimiento de Becquerel causó interés en otros científicos amigos de este, los esposos Pierre y Marie Curie, los cuales, al investigar sobre las radiaciones emitidas por las sales de uranio, proponiendo que son los átomos de elementos como el uranio y el radio, los responsables de la emisión de dicha radiactividad. Ernest Rutherford fue, así mismo, otro de los investigadores que llevaron a cabo experimentos con elementos radiactivos, este científico estaba interesado en la investigación de las partículas alfa (∝), las cuales tienen una carga eléctrica positiva y constan con una masa de 7,500 veces más grande a la del electrón. Al llevar a cabo investigaciones sobre el movimiento de estas partículas, Rutherford detectó que algunas se desviaban, debido a “algo” presente en el aire; por lo que pensó en llevar a cabo un experimento en el cual, disparaba partículas alfa directo a una placa de metal, rodeada por una pantalla fluorescente que destellaba cuando una partícula alfa, chocaba contra ella. Los resultados de este experimento arrojaron observaciones de que la mayoría de las partículas alfa, sí atravesaban la placa, algunas se desviaban de su trayectoria e incluso, otras rebotaban hacia atrás. A partir de estos resultados llegó a la conclusión de que el modelo de pudín de pasas era incorrecto ya que las partículas alfa, al tener carga positiva, para ser desviados de su trayectoria, forzosamente tendrían que encontrar un centro de carga positivo que las repeliera. A partir de estos resultados Rutherford concluyó de que el modelo atómico del pudín de pasas era incorrecto, ya que las grandes reflexiones de las partículas alfa solo podrían ser causadas por un centro de carga positivo concentrado el cual las repeliera. Como la mayor parte del átomo, es espacio vacío, la mayoría de las partículas alfa atravesaron de manera directa la placa de metal, aquellas que se desviaron tuvieron un acercamiento con el centro de carga positivo del átomo, y aquellas que rebotaron hacia atrás chocaron directamente con el centro de carga positivo. Rutherford explico dichos resultados en términos de átomo nuclear, es decir un átomo con un centro denso de carga positiva, en torno al cual, se desplazan electrones de tamaño diminuto en un espacio casi vacío Rutherford postuló entonces que la mayoría de la masa del átomo así como su carga positiva, se encontraba en una porción muy pequeña y extremadamente densa a la que denomino núcleo, la mayoría del volumen del átomo estaba vació y los electrones se encontraban en movimiento alrededor del núcleo. En base a sus observaciones Rutherford concluyó que el núcleo debería de tener carga positiva para neutralizar la carga negativa de los electrones, pero se preguntaba de qué estaría formado por lo cual continuo con sus investigaciones y ya para 1919 descubrió en el 76

núcleo las partículas llamadas protones con carga eléctrica positiva, ya para el año de 1932 el físico ingles James Chadwick descubre también los neutrones, con carga eléctrica neutra y una masa un poco mayor que los protones.

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Actividad

1. ¡Quienes fueron las primeras culturas en tratar de dar una explicación de la observación de cambios químicos de la materia? _______________________________________________________________________________ 2. ¿Quiénes fueron los alquimistas? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 3. ¿Cual fue el factor principal que determinante para sentar las bases de la teoría química? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 4. Describe la teoría atómica de Dalton _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 5. ¿Como son los átomos que conforman a un elemento? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 6. ¿Cuáles son las partes que componen aun átomo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 7. ¿A que se le conoce como isótopo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 8. ¿Cómo es la carga total neta de un átomo? _______________________________________________________________________________ 9. Describe brevemente el modelo atómico de J. J. Thompson _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 10. ¿Cuál es el científico que descubrió el núcleo del átomo? _______________________________________________________________________________ 11. Describe de manera breve el experimento de Ernest Rutherford _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

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Partículas Subatómicas Estructura de los átomos

Sabemos que el átomo es la unidad más pequeña posible de un elemento químico, en la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se usaba para llamar a la parte de materia más pequeña que podía concebirse; dicha “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible, de hecho, el termino átomo, significa en griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo, avanzaron de manera muy lenta a lo largo de los siglos, ya que los filósofos de esa época se limitaban solo a especular sobre éste. Con el arribo de la experimentación en la ciencia, durante los siglos XVI y XVII, los avances en la teoría atómica se llevaron a cabo de manera muy rápida, los químicos se dieron cuenta rápidamente, de que todos los líquidos, gases y sólidos, pueden descomponerse en sus constituyentes finales, o dicho de otra manera en sus elementos constituyentes, por ejemplo, se descubrió que la sal de mesa, se conformaba de dos elementos diferentes, los cuales son: sodio y cloro; ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico; en cambio el aire, resultó ser una mezcla de diferentes gases como: hidrogeno, nitrógeno y oxígeno, entre otros. En el siglo XVIII Antonio Lavoisier revolucionó la concepción de la química con la ley de la conservación de la masa. Más tarde, Dalton y Proust, introdujeron la idea de la materia como la unión de miles de partículas indivisibles. A partir de las investigaciones de Rutherford, los científicos han aprendido mucho sobre la composición del núcleo atómico. En este modelo, el átomo se llama nuclear porque la carga positiva está ubicada en un área muy pequeña y compacta (núcleo) y no se encuentra uniformemente dispersa como en el modelo del pudín de pasas.

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A través de todos los descubrimientos referentes a la estructura atómica, la lista de partículas que forman el núcleo continúa creciendo, pero para fines de este curso adoptaremos una visión muy sencilla del átomo, porque solo tres partículas subatómicas afectan el comportamiento químico: el protón, el neutrón y el electrón. A partir de que Thompson y Rutherford propusieron sus modelos atómicos, se han adquirido muchos conocimientos acerca de la estructura atómica. La idea más simple del átomo, es que esta constituido de un núcleo diminuto con un diámetro aproximadamente de 10-14 m., con electrones girando a su alrededor a una distancia aproximada de 10–10 m. Para darnos una idea de lo pequeño del núcleo en relación al tamaño del átomo, podemos imaginar al núcleo como una uva, los electrones estarían a 1.5 Km. de distancia. Como ya se mencionó con anterioridad, el núcleo está constituido por protones de carga positiva, con magnitud igual a la carga negativa de los electrones y, además neutrones, que tienen casi la misma masa que el protón, pero no presentan carga eléctrica. Los átomos presentan números iguales de protones y electrones, por lo tanto no tienen carga eléctrica neta. Con el descubrimiento del electrón por parte de J.J. Thompson, se reveló que el átomo es, paradójicamente, divisible. Quedaba entonces por explicar la estructura del átomo, con el descubrimiento del núcleo atómico se inició una nueva etapa en la búsqueda de lo elemental: las partículas nucleares. La primera de ellas, el protón, es el núcleo del átomo de hidrógeno y, combinado con neutrones, es constituyente básico de los núcleos del resto de los elementos. Su nombre se deriva de la voz griega para principal o primero (prwtoz) Comparado con el electrón, el protón posee una carga de idéntica magnitud pero de signo opuesto y una masa 1836 veces más grande. Esta relación carga/masa refleja su poca movilidad relativa y, por lo tanto, el que los fenómenos asociados al transporte de carga hayan podido ser entendidos tan sólo tomando en cuenta al electrón. Una vez descubierto el núcleo, la pregunta inmediata fue ¿de qué está compuesto? Ya desde los tiempos de Dalton y Faraday, 100 años atrás, los pesos atómicos se hacían con referencia al del hidrógeno. Dalton propuso que las masas de los elementos se encontraban muy cercanas a múltiplos enteros de la masa del hidrógeno, lo que indujo al médico inglés William Prout a proponer, en 1815, que todos los elementos químicos se encontraban constituidos por números enteros de átomos de hidrógeno. Una vez descubierto el electrón y el núcleo, era razonable suponer que los núcleos de los elementos estuvieran hechos de números variables de protones. Sin embargo, los núcleos no podían estar hechos de simples conjuntos de protones, ya que su carga era típicamente la mitad del número de protones que se necesitaría para explicar su masa, lo que contradecía la evidencia sobre la neutralidad eléctrica de los átomos. Masa y carga de las partículas subatómicas

Partícul a Protón Neutrón Electrón

Masa (uma) 1.0073 1.0087 0.00005486

Masa Relativa* 1836 1839 1

Carga Positiva (1+) Ninguna (neutro) Negativa (1-)

* Al electrón se le asigna de forma arbitraria el valor de uno para efectos de comparación.

Como ya mencionamos, los protones y los neutrones los encontramos ubicados juntos en el núcleo, el cual, como ya vimos, es de tamaño muy pequeño, prácticamente toda la masa del átomo la encontramos en el núcleo, pero como es tan diminuto, prácticamente todo el volumen del átomo es el espacio que ocupan los electrones. En base a todo lo anterior, nos resulta un cuestionamiento: ¿si todos los átomos se encuentran formados por las mismas partículas? ¿Porque los diferentes átomos presentan propiedades químicas diferentes? Esto es, a causa del número y ordenamiento de los electrones, ya que el espacio en el que se mueven los electrones, representa la mayor parte del volumen atómico.

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Los electrones son las partes del átomo que se entremezclan para combinarse unos con otros para formar moléculas, debido a esto, los electrones que pueda ceder o aceptar un átomo son factor determinante para la interacción entre átomos. Como resultado, los átomos de elementos distintos con diferente cantidad de electrones, presentan también un comportamiento químico diferente, aunque los átomos de los diferentes elementos difieren en el número de protones, son los electrones los que determinan en realidad su comportamiento químico

Lectura: Las fuerzas básicas Se conocen cuatro fuerzas o interacciones básicas en la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Las fuerzas gravitacionales son fuerzas de atracción que actúan sobre todos los objetos en proporciona su, masa; la fuerza gravitacional entre los átomos o partículas subatómicas son tan pequeñas que no tienen importancia en la química. Las fuerzas electromagnéticas son fuerzas de atracción o repulsión que actúan entre objetos magnéticos o bien que presentan carga eléctrica. Las fuerzas eléctricas y magnéticas no tienen una relación estrecha unas con otras; las fuerzas eléctricas son fundamentales para entender el comportamiento químico de los átomos, la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas esta dada por la Ley de Coulomb: F = kQ1Q2 / d2, donde Q1 y Q2 son las magnitudes de las cargas de las dos partículas, d es la distancia entre sus centros y k es una constante determinada por las unidades en que se expresan Q y d. Un valor negativo de la fuerza nos indica atracción, y uno positivo, repulsión. Todos los núcleos, con excepción del átomo de hidrogeno contienen dos o mas protones, y dado que cargas iguales se repelen, la repulsión eléctrica ocasionaría que los protones salieran despedidos si una fuerza de atracción mas fuerte no los mantuviera unidos. Esta fuerza se denomina fuerza nuclear fuerte, y actúa entre las partículas subatómicas, como sucede en el núcleo; a esta distancia, dicha fuerza presenta mayor magnitud que la fuerza eléctrica, por lo tanto el núcleo no se desintegra. La fuerza nuclear débil es de magnitud menor que la fuerza eléctrica, pero no que la gravedad, conocemos de su existencia solo porque se hace sentir en ciertos tipos de radiactividad.

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Isótopos

Con el descubrimiento del protón, se puso de manifiesto que si bien, éste debía ser uno de los constituyentes fundamentales del núcleo, no era el único. Revisemos ahora los hechos que llevaron al hallazgo de la segunda partícula nuclear, el neutrón. Como su nombre lo indica, se trata de un objeto eléctricamente neutro, cuya masa resulta ser parecida a la del protón, además de que es, relativamente escaso en la naturaleza ya que en libertad, decae rápidamente emitiendo un protón, un electrón y un (anti) neutrino. Neutrones y protones se mantienen unidos formando núcleos atómicos, debido a una fuerza de atracción cuya magnitud es tal, que se le denomina interacción fuerte, bajo esta influencia, el neutrón es capaz de mantenerse dentro del núcleo como un ente estable. Debido a que las masas de neutrones y protones son muy semejantes, son la causa de que el número atómico de los elementos resulte cercano, a un múltiplo entero de la masa del átomo de hidrógeno, como se percató Proust el siglo pasado. Sin embargo, químicamente todo elemento se caracteriza sólo por el número de sus electrones, que es el mismo que el de los protones en su núcleo, es decir, que desde el punto de vista de sus propiedades químicas, el número de neutrones que presenta el núcleo de un átomo carece de relevancia; por otra parte, las fuerzas nucleares restringen la existencia de núcleos estables, a aquellos cuyo número de neutrones sea parecido al de protones. En general, para cada elemento, existe más de un número posible de neutrones en su núcleo. Para distinguir entre cada tipo de núcleo, de un mismo elemento, se utiliza el nombre de isótopo (de los vocablos, “idozs” que significa, igual, y “topoz”, lugar; es decir, los que tienen el mismo lugar en la tabla periódica) Como ya vimos anteriormente, el átomo tiene un núcleo que presenta carga positiva y está formado protones y neutrones, todos los átomos de un mismo elemento, presentan el mismo número de protones en el núcleo, pero como ya sabemos, un átomo no tienen carga eléctrica neta ya que el número de protones con carga positiva es igual al número de electrones presentes en el átomo, los cuales ya sabemos tienen carga negativa. Isótopo es el átomo que presenta el mismo número de protones que otro átomo del mismo elemento, pero con diferente cantidad de neutrones, por lo que contendrá una masa diferente. El número de protones presentes en el núcleo nos indica el número atómico de ese elemento, pero la suma de los protones y neutrones nos da el número de masa del átomo. La combinación de protones y neutrones que se presenta con más frecuencia la conocemos como normal; los isótopos que tienen menos neutrones tienen menor masa y por lo tanto son más ligeros por lo que reciben ese nombre, los isótopos que presentan mayor contenido de neutrones tienen por lo tanto más masa por lo que se les denomina isótopos pesados; todos los elementos conocidos tienen dos o más isótopos. Para especificar de qué isótopo del elemento se trata usamos el símbolo siguiente: A

Z

Donde: X = A= Z=

representa el símbolo del elemento. representa el número de masa (suma de protones y neutrones) representa el número atómico (número de protones).

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Por ejemplo, el símbolo de cierto tipo de átomo de sodio es: Número de masa

23

Símbolo 11

Número atómico

En el ejemplo anterior, el átomo representado recibe el nombre de sodio-23 ya que presenta un número de masa 23, a continuación describiremos el número de cada una de las partículas subatómicas en ese átomo: por el número 11 conocemos que el núcleo presenta 11 protones, como el número de protones es igual al de los electrones entonces tendrá también 11 electrones, entonces ¿Cuántos neutrones tendrá? Lo podemos calcular fácilmente por la definición del número de masa: Número de masa = número de protones +

número de neutrones

Lo que en símbolos expresaremos como sigue: A = Z + número de neutrones Despejamos el número de neutrones en la fórmula y tendremos que: A – Z = número de neutrones Entonces siempre podremos determinar la cantidad de neutrones presentes en el átomo con solo restar el 23 número atómico (protones) del número de masa (protones + neutrones). En el caso de 11 conocemos que A=23 y Z=11, por lo que A-Z (23-11) ═ neutrones Isótopos de Carbono

simbolo 11

6

12

6

13

6

14

6

C C C C

numero de protones

numero de electrones

numero de neutrones

6 6 6 6

6 6 6 6

5 6 7 8

Isótopos del Hidrogeno

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Actividad

1. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un átomo de Oro-197?

2. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un átomo de Bario-138?

3. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en un átomo de Mercurio-201?

4. Escribe el símbolo del átomo de Magnesio con un número de masa 24 ¿Cuántos electrones y neutrones tiene el átomo?

5. Escribe el símbolo del átomo de Plata con Z=47 que contiene 61 neutrones.

6. Escribe el símbolo de átomo de Fósforo con Z=15 que tiene 17 neutrones.

7. Escribe el símbolo del átomo de Cloro con A=37.

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8. Escribe el símbolo del átomo que presenta 26 protones y 31 neutrones.

9. Escribe el símbolo atómico del isótopo de I con un número de masa de 131.

10. Escribe el símbolo atómico del isótopo de Carbono con un número de masa de trece. 11. ¿Como esta conformado el núcleo del átomo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 12. ¿Que partículas atómicas conforman casi todo el volumen del átomo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 13. Cuando dos átomos se unen, ¿cuales partículas subatómicas se enlazan? ______________________________________________________________________________ 14. ¿Que parte del átomo es el factor determinante para su comportamiento químico? _______________________________________________________________________________ 15. ¿Qué es un isótopo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

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Número atómico

El número atómico de los elementos, es utilizado como un criterio para ordenar a los elementos en la tabla periódica. Aunque la tabla de Mendeleiev demostró la naturaleza periódica de los elementos, la explicación de por qué las propiedades de los elementos se repiten periódicamente tuvo que esperar hasta el siglo XX. En 1911 Ernest Rutherford publicó sus estudios sobre la emisión de partículas alfa por núcleos de átomos pesados, que llevaron a la determinación de la carga nuclear. Rutherford demostró, que la carga nuclear en un núcleo, era proporcional al peso atómico del elemento en cuestión. También en 1911, El científico A. van der Broek propuso que el peso atómico de un elemento era aproximadamente igual a la carga de éste, dicha carga más tarde se denomino número atómico, y propone que se podría usar para numerar los elementos dentro de la tabla periódica. En 1913, Henry Moseley publicó los resultados de sus medidas sobre las longitudes de onda, de las líneas espectrales de emisión de rayos X, observando que la ordenación de los elementos por estas longitudes de onda, coincidía con la ordenación obtenida con el criterio de los números atómicos. Con el descubrimiento de isótopos de los elementos, se puso de manifiesto que el peso atómico no era el criterio que marcaba la ley periódica como Mendeleiev, Meyers y otros, habían propuesto, sino que las propiedades de los elementos variaban periódicamente con número atómico. La interrogante sobre el por qué la ley periódica existe de manera natural, se contestó gracias al conocimiento y comprensión de la estructura electrónica de los elementos, la cual dio inicio con los estudios de Niels Bohr sobre la organización de los electrones en capas y, con los descubrimientos de G.N. Lewis sobre los enlaces de pares de electrones. De manera general, podemos decir que el número atómico es el número de protones en un núcleo atómico y se suele representar con la letra “Z”. Siendo en un elemento en estado neutro sin carga eléctrica, el número de protones será igual al de los electrones, el número atómico también define el nivel de llenado de los sucesivos orbitales electrónicos del átomo, característica que es la que realmente refleja la tabla periódica, de suerte que si bien son de esperar propiedades similares en elementos con números atómicos consecutivos, no lo es menos que igual o mayor afinidad en las propiedades se encuentra entre elementos verticalmente adyacentes en la tabla. Teniendo en cuenta la precisión anterior, bien puede afirmarse que el número atómico define la mayoría de las propiedades de los elementos químicos. Cuando el número atómico se escribe explícitamente, por lo general se coloca antes y debajo del símbolo que representa al elemento; por ejemplo, 1H, 2He. Todos los átomos están constituidos por protones, neutrones y electrones, y ya que son éstas partículas, las mismas en todos los átomos, la diferencia entre átomos de diferentes elementos, será solo la cantidad en el número de estas partículas. Por lo que se puede considerar al átomo, como la muestra más pequeña de un elemento, ya que si los separamos en partículas subatómicas destruimos su identidad.

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La materia entonces, se encuentra formada por cargas positivas y negativas, la estructura atómica se logra establecer por medio de las partículas subatómicas (protón, neutrón y electrón); dichos constituyentes fundamentales del átomo, fueron identificados por diversos científicos. El número atómico está definido por la cantidad de protones que presenta un átomo y, a su vez, es igual a la cantidad presente de electrones. La cantidad de electrones define a cada elemento, ya que el arreglo de los electrones en el átomo, es determinante para su comportamiento químico. Por ejemplo el magnesio contiene 12 protones y 12 electrones, por lo que su número atómico Z es igual a 12.

Número Masa

Se conoce como número masa a la suma de los protones y neutrones de un átomo. Por ejemplo, algunos átomos de carbono presentan seis protones, y ocho neutrones, por lo que tendrá una masa de 14. Como el número de masa está dado por la suma de protones y neutrones, entonces, para el elemento sodio (Na) con un número atómico (protones) de 11, con un contenido de 12 neutrones, su masa será entonces 23. Ejercicios: 1. Si el Uranio tienen 92 protones y 146 neutrones. ¿Cuál será su número de masa? 2. El Bromo presenta un número atómico de 35 y un número de masa de 80. ¿Cuántos neutrones tiene? 3. El Estroncio presenta un número atómico de 38 y un número de masa 90. ¿Cuántos neutrones tiene?

Lectura: La historia del elemento seaborgio Antes de 1940 la tabla periódica terminaba en el elemento uranio, con numero atómico 92. Desde entonces, ningún científico ha tenido un impacto tan grande sobre la tabla periódica como Glenn Seaborg, este científico ocupo el puesto de profesor en el departamento de química de la Universidad de California en Berkeley en 1937. En el año de 1940, el y sus colegas, Edwin McMillan, Arthur Wahl y Joseph Kennedy lograron aislar el elemento plutonio (Pu) como producto de la reacción de uranio con neutrones, a este tipo de reacciones se les conoce como reacciones de fisión nuclear y son las que se realizan en las plantas núcleoeléctricas y en las bombas atómicas. Durante el periodo de 1944 a 1958, Seaborg y sus colaboradores también lograron identificar los elementos con número atómico del 95 al 102 como productos de reacciones nucleares; todos estos elementos son radiactivos y no se encuentran en la naturaleza; solo se les puede sintetizar por medio de reacciones nucleares. Por su labor de identificación de los elementos más allá del uranio, McMillan y Seaborg compartieron el premio Nóbel de química en 1951. En 1974 identifico por primera vez el elemento número 106, y en 1994 a fin de honrar las muchas aportaciones de este científico al descubrimiento de nuevos elementos, la Sociedad Química Americana propuso otorgar al elemento 106 el nombre de “seaborgio”, el cual llevaría el símbolo Sg. Después de varios años de controversia respecto a si era aceptable dar a un elemento el nombre de una persona con vida, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) adoptó de manera oficial el nombre de Seaborgio en 1977, y Seaborg se convirtió en la primera persona en dar vida a su nombre a un elemento

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Peso Fórmula

Debido a que los átomos son partículas de materia, presentan por lo tanto una determinada cantidad de masa, como ya se comento con anterioridad, uno de los postulados principales de la teoría atómica de Dalton propone que las masas se conservan durante las reacciones químicas, dando como resultado, que el conocimiento actual sobre las reacciones químicas y el comportamiento de las sustancias, ha sido determinado en base a mediciones exactas de átomos y moléculas. Durante el siglo XIX los científicos de la época no tenían conocimientos sobre las partículas subatómicas, solamente estaban conscientes de que los átomos de diferentes elementos presentan masas diferentes, por ejemplo: descubrieron que 100 gramos de agua contienen 11.1 gramos de hidrogeno y 88.9 gramos de oxigeno, por lo tanto el agua contiene 88.9/11.1═ 8 veces mas masa de oxigeno, que de hidrogeno. Así mismo una vez que los investigadores tuvieron conocimiento de que el agua esta conformada por dos átomos de hidrogeno por cada oxigeno presente, concluyeron de que el átomo de oxigeno debía pesar 2 x 8 ═ 16 veces mas que el átomo de hidrogeno. De manera arbitraria se le asigno al hidrogeno una masa relativa de 1, ya que este átomo es el mas ligero, por lo que las masas atómicas de los otros elementos se determinaron con relación a dicho valor. La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico británico William Proust a sugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que el cloro, por ejemplo, tiene una masa atómica de 35.453 (si se asigna al carbono el valor 12). El descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Proust hasta un siglo después, cuando se descubrió que generalmente los átomos de un elemento dado, no presentan todos, la misma masa. Los átomos de un mismo elemento con diferente masa, se conocen como isótopos, en el caso del cloro, existen dos isótopos en la naturaleza. Los átomos de uno de ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres partes de cloro 35, por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica observada en el cloro. Durante la primera mitad del siglo XX, era muy común utilizar el oxígeno natural como patrón para expresar las masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16 a dicho elemento; a principios de la década de 1960, las asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y asignaron una masa atómica exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono muy abundante, el carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente apropiado porque el carbono 12 se emplea con frecuencia como patrón de referencia para calcular masas atómicas mediante el espectrómetro de masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 se aproxima bastante a la tabla antigua basada en el oxígeno natural, ya que este presenta un tiempo de vida entre 5 y 6 millones de años; además cuenta con un número muy cerca de la unidad en su masa. En la actualidad somos capaces de medir las masas de los átomos de manera individual, esto con un alto nivel de exactitud, por ejemplo: conocemos que el átomo de 1H presenta una masa de 1.6735 x 1024 gramos, así mismo un átomo de 16O presenta una masa de 2.6560 x 1023 gramos. Como estos valores numéricos son demasiado grandes, es mas cómodo utilizar la unidad de masa atómica (uma) al trabajar con estas pequeñas masas, la equivalencia entre estas unidades es la siguiente: 1 uma = 1.66054 x 1024 g y 1g = 6.02214 x 1023 uma La masa atómica de un elemento está dada por la suma promedio de sus isótopos existentes en la naturaleza, comparados contra el carbono-12 el cual se toma como la unidad ya que es muy estable. Como 88

la unidad de masa atómica es la doceava parte del carbono y ya que 12/12=1 la masa atómica siempre será un número fraccionario. Podemos determinar la masa atómica promedio de un elemento a partir de las masas de sus diversos isótopos así como de su abundancia relativa, por ejemplo, el carbono natural esta compuesto de un 98.93% de 12C y de un 1.07% de 13C. Las masas de estos dos núclidos son exactamente 12 uma y 13.00335 uma, respectivamente; por lo que podemos calcular la masa atómica promedio del carbono a partir de la abundancia y la masa de sus isótopos, por ejemplo: (0.9893) (12)

+

(0.0107) (13.00335) = 12.01 uma

La masa atómica promedio de cada elemento, expresada en “uma”, también se le conoce como peso atómico, a pesar de que el termino masa atómica promedio, es mas común, y a menudo se utiliza el termino mas sencillo de masa atómica, el uso del termino peso atómico es lo mas común. Debemos de tener precaución en no confundir el número de masa con la masa atómica, ya que el primero, por ser la suma de protones y neutrones siempre es un número entero; por ejemplo, el oxigeno tiene 8 protones y 8 neutrones su número de masa es igual a 16. Pero su valor de masa atómica tiene un valor de 15.9994, ya que éste valor es la suma promedio de sus isótopos naturales. La masa será entonces la suma de las masas atómicas del total de átomos contenidos en la fórmula de un compuesto químico. Todas las sustancias se encuentran presentes en el universo, como moléculas o como iones, sabemos que una molécula es la combinación de por lo menos dos átomos atraídos por fuerzas químicas de una manera característica; los iones se forman por ganancia o perdida de electrones a un átomo o molécula neutra, originando una partícula con carga eléctrica, todas las sustancias, tanto moleculares como iónicas, son representadas mediante formulas químicas y en ambos casos, la formula nos indica la cantidad de átomos presente de cada elemento en el compuesto Un compuesto químico es de manera fundamental un conjunto de átomos, por ejemplo el Metano, que es el principal componente del gas natural, está formado por moléculas con un átomo de carbón y cuatro de hidrogeno (CH4), por lo que para calcular el valor de su peso debemos sumar las masas del carbono e hidrogeno presentes en la molécula, para ello debemos de cuantificar la masa de cada uno de los elementos presentes en el compuesto, observando la tabla periódica podemos ver que el carbono presenta un amasa de 12.01, así mismo el hidrogeno una masa de 1.008 pero como existen cuatro hidrógenos, entonces: Masa de Carbono

12.010

Masa de Hidrógeno

4.032

Peso de la Fórmula

16.042

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Actividad:

1. Calcula la masa fórmula del Dióxido de Azufre.

2. Calcula la masa fórmula de la Sal.

3. Calcula la masa fórmula del Oxido de Hierro.

4. Calcula la masa fórmula del Agua.

5. Calcula la masa fórmula del Ácido Sulfúrico.

6. Define numero atómico __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 7. ¿Cuáles son lasa partículas fundamentales del átomo? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________

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8. ¿Cual es la partícula subatómica que determina las características de un elemento? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 9. ¿Es la suma de los protones y electrones de un átomo? __________________________________________________________________________________ 10. ¿Qué es la unidad de masa atómica? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 11. ¿De que manera se determina la masa atómica de un elemento? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 12. ¿A que se le llama isótopo? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 13. ¿Cuál es la diferencia entre el número de masa y la masa atómica? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 14. ¿A que se le conoce como molécula? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 15. ¿A que se le considera un ion? __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________

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Números Cuanticos Configuración electrónica

En química, la configuración electrónica se refiere a la manera en el cual los electrones se encuentran ordenados en el átomo. Como los electrones son fermiones (partículas elementales que, como el protón y el electrón, sigue la estadística de Fermi-Dirac) por lo que están sujetos al principio de exclusión de Pauli, el cual menciona que dos fermiones no pueden estar en el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Por lo tanto, en el momento en que un estado es ocupado por un electrón, el siguiente electrón debe ocupar un estado mecano cuántico diferente. En un átomo, los estados estacionarios de la función de onda de un electrón (los estados que son función propia de la ecuación de Schrödinger HΨ = EΨ en donde H es el hamiltoniano) se denominan orbitales, por analogía con la clásica imagen de los electrones orbitando alrededor del núcleo. Estos estados tienen cuatro números cuánticos: n, l, ml, ms, en resumen, el principio de Pauli quiere decir que no puede haber dos electrones en un mismo átomo con los cuatro valores de los números cuánticos iguales. Los más importantes de estos son: el n y el l. El primer número cuántico n (llamado a veces número cuántico principal) corresponde a los diferentes niveles de energía permitidos o niveles cuánticos; los valores que toma son 1, 2, 3, 4,... Para n=1 se tiene el nivel de menor energía. En algunos casos (por ejemplo en espectroscopia de rayos x) también se denotan como K, L, M, N,... El segundo número cuántico l corresponde al momento angular del estado. Estos estados tienen la forma de harmónicos esféricos, y por lo tanto se describen usando polinomios de Legendre. A estos subniveles, por razones históricas, se les asigna una letra, y hacen referencia al tipo de orbital (s, p, d, f):

Valor de l Letra

Máximo número de electrones

0

s

2

1

p

6

2

d

10

3

f

14

4

g

18

Los valores que puede tomar l son: 0,..., (n-1), siendo n el número cuántico principal. El tercer número cuántico, ml, puede tomar los valores desde -l a l, y por lo tanto hay un total de 2l+1 estados posibles. Cada uno de estos puede ser ocupado por dos electrones con espines opuestos, lo que viene dado por el número cuántico ms, que puede valer +1/2 o -1/2. Esto da un total de 2(2l+1) electrones en total (tal como se puede ver en la tabla anterior). 92

En resumen, estos son los valores que pueden tomar los números cuánticos: Número cuántico Valores posibles n

1, 2, 3,...

l

0,..., (n-1)

ml

-l,..., 0,...,+l

ms

-1/2, +1/2

Para obtener la configuración electrónica de un elemento, los estados se van ocupando por electrones según la energía de estos estados: primero se ocupan los de menor energía. Por el hecho de que el estado 3d (n=3 y l=2) está más alto en energía que el 4s (n=4 y l=0), existen los metales de transición; y como en el orbital d caben 10 electrones según la primera tabla (o bien haciendo l=2 en 2(2l+1)=10), hay diez elementos en cada serie de transición. Lo mismo ocurre con otros bloques de elementos que se pueden ver en la tabla periódica de los elementos. Se suele emplear una regla mnemotécnica la cual nos sirve para auxiliar a la memoria y consistente en hacer una tabla en donde en la primera fila se escribe 1s, 2s, 3s,..., en la segunda fila, saltándose una columna, 2p, 3p,... y así sucesivamente. Los primeros niveles que se van llenando con electrones son los que quedan más a la izquierda y abajo de la tabla, como indica el sentido de las flechas en el diagrama:

Concretamente, en el diagrama se llenan hasta el 3d, comenzando la primera serie de transición. Si por ejemplo se quiere saber la configuración electrónica del vanadio, con el diagrama obtendríamos: 1s22s22p63s23p64s23d3 En donde el primer número es el número cuántico principal, la letra es el segundo (tipo de orbital) y el superíndice es el número de electrones que están en ese nivel (los términos anteriores se ordenan luego siguiendo el orden del número cuántico principal). Por tratarse del vanadio hay que colocar 23 electrones. En un orbital s caben 2; en uno p, 6 y en uno d, 10. El último orbital sólo tendría 3 electrones por lo que no estaría lleno. Sin embargo, existen algunas excepciones de elementos que no siguen totalmente esta regla, por ejemplo el cromo, con un electrón más, 3d54s1. Otra notación que se puede emplear es la de indicar ordenadamente el número de electrones que hay en cada nivel, por ejemplo en el silicio sería: 2 8 4.

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Las propiedades químicas de un átomo, dependen mucho de cómo están ordenados los electrones en los orbitales de más energía (en ocasiones llamados de valencia), aparte de otros factores como el radio atómico, la masa atómica, o la accesibilidad de otros estados electrónicos. Conforme se baja en un grupo de elementos, desde el más ligero al más pesado, los electrones más externos, en niveles de energía más altos, y que por tanto es más fácil que participen en las reacciones químicas, están en el mismo orbital, con una forma parecida, pero con una energía y distancia al núcleo mayores. Por ejemplo, el carbono y el plomo tienen cuatro electrones en sus orbitales más externos. Debido a la importancia de los niveles energéticos más exteriores, las distintas regiones de la tabla periódica se dividen en bloques, llamándolas según el último nivel ocupado: bloque s, bloque p, bloque d y bloque f, tal como se ve en el diagrama.

Un modelo atómico es de muy poca aplicación si no nos sirve para describir a cualquier tipo de átomo. El modelo de la mecánica ondulatoria es aplicable a todos los átomos, de hecho, lo más importante de este modelo, es su capacidad para explicar la tabla periódica de los elementos. Debemos de recordar que la tabla periódica se encuentra ordenada en grupos verticales que contienen elementos que muestran propiedades químicas similares; el modelo de la mecánica ondulatoria del átomo, nos permite explicar basados en los ordenamientos electrónicos, la razón de dichas similitudes. El átomo tiene el mismo número de electrones que de protones puesto que su carga neta total es igual a cero, por lo tanto, todos los átomos después del hidrógeno tienen más de un electrón. Cada electrón gira en torno a si mismo como un trompo en torno a su eje, a esto se le denomina: spin; por lo tanto solo puede gira en dos direcciones. El spin se representa por medio de una flecha: ya sea ↑ o ↓. Una de ellas representa al electrón girando en una dirección y la otra en dirección opuesta. De momento, lo importante es que dos electrones deben de tener espines opuestos para ocupar el mismo orbital, es decir, dos electrones que tengan el mismo spin no pueden ocupar el mismo orbital. De ahí se deriva el principio de exclusión de Pauli: un orbital atómico puede contener un máximo de dos electrones, y estos electrones deben de tener espinos opuestos. Así mismo, debemos de recordar el concepto de electrones de valencia, es decir, los electrones que se encuentran en el nivel de energía principal mas externo de un átomo, por ejemplo el nitrógeno, con configuración electrónica 1s22s22p3 tiene electrones de valencia 2s y 2p (debemos de recordar que el nivel de energía principal 2 consta de dos subniveles, 2s y 2p). Para un átomo de sodio con configuración electrónica de 1s22s22p63s1 el electrón de valencia está en el orbital 3s porque en este caso, el nivel de energía principal 3, es el más externo que contiene un electrón. Los electrones de valencia son muy importantes desde el punto de vista químico, ya que por ser los mas externos, participan cuando los 94

átomos se unen entre si, es decir, forman enlaces. Los electrones internos, se conocen como electrones centrales y no participan cuando los átomos se une entre si. Al observar la figura de la tabla periódica anterior, podemos detectar un patrón de gran importancia: con excepción del helio, los elementos del mismo grupo o columna vertical de la tabla periódica, tienen el mismo numero de electrones de valencia y, por lo tanto, tiene la misma configuración de electrones de valencia, con excepción de que los orbitales se encuentran en niveles principales de energía diferentes. Debemos recordar que los elementos se organizaron originalmente en grupos de la tabla periódica basándose en sus semejanzas, por lo que respecta a propiedades químicas, esto explica el por qué están agrupados así: los elementos con el mismo número de electrones de valencia muestran comportamiento químico muy similar. Todos los conceptos anteriormente discutidos, son de gran importancia, puesto que nos permiten comprender gran parte de la química, cuando se observó por primera ves que los elementos de propiedades semejantes, mostraban cierta periodicidad al aumentar su numero atómico, se intento explicar dicho fenómeno; en la actualidad, contamos con dicha explicación, el modelo de la mecánica ondulatoria considera que los electrones del átomo están ordenados en orbitales, y cada orbital puede contener un máximo de dos electrones. Al construir los átomos los mismos tipos de orbitales se repiten al pasar de un nivel de energía principal a otro, esto significa, que las configuraciones de electrones de valencia particulares, se reproducen periódicamente, los elementos que tienen un tipo determinado de configuración de valencia, muestran comportamiento químico semejante, por lo tanto, los grupos de elementos como los metales alcalinos, presentan propiedades químicas similares, esto debido a que todos ellos, tienen el mismo ordenamiento de electrones de valencia. Este concepto explica en gran parte, el comportamiento químico y es la contribución más grande del modelo de la mecánica ondulatoria a la química moderna

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Modelo atómico de Bohr

Posterior al descubrimiento de Rutherford donde se caracteriza al átomo como nuclear, los científicos imaginan al átomo como un sistema solar microscópico, en el cual los electrones se encuentran en orbita, girando alrededor del núcleo. En 1911 contando con apenas 25 años de edad, Niels Bohr recibió su doctorado en física, y estaba convencido de que el átomo podía describirse como un pequeño núcleo positivo con electrones que giraban a su alrededor, en los años siguientes, Bohr construyo un modelo del átomo de hidrogeno con niveles cuantizados de energía, que concordaba con los resultados del espectro de emisión del hidrogeno recientemente descubiertos. En el modelo propuesto por Bohr, los electrones giran alrededor del núcleo, a causa de las fuerza de atracción eléctrica entre las cargas positivas del núcleo, con las negativas de los electrones. Este científico basó sus modelos en tres postulados: • Solo se permiten orbitas con cierto radio, a lo cual le corresponde cierta energía para los electrones del átomo. • Un electrón en cierta orbita, contiene una energía específica y, está en un estado de energía dado. • El electrón emite o absorbe energía, cuando cambia de un nivel de energía otro.

Este científico propuso que el electrón se movía en orbitas circulares que correspondían a los diversos niveles de energía permitidos, y sugirió, que el electrón podía saltar a una orbita distinta, absorbiendo o emitiendo un fotón de luz con el contenido de energía correcto, así, en el átomo de Bohr, los niveles de energía del átomo de hidrogeno representan ciertas orbitas circulares permitidas. Bohr denominó a los orbítales como niveles de energía y, los numeró del núcleo hacia a fuera como: n=1; n=2; n=3… (aunque también pueden designarse las letras K, L. M, N, O y P). Cuando un electrón se encuentra orbitando al núcleo en orbita fija, no emite ni absorbe energía; pero cuando cambia de nivel, se emite o absorbe energía. Las investigaciones realizadas por Bohr y su modelo atómico propuesto, fueron en base al Hidrogeno, el cual ya sabemos tiene una configuración electrónica más simple, pues solo consta de un electrón girando alrededor del núcleo. Propuso que éste electrón, se movía en orbitas circulares correspondientes a los diferentes niveles de energía permitidos, pensó, que el electrón podía pasar de un nivel a otro absorbiendo o emitiendo energía. Si el electrón en cuestión, se encuentra girando en el nivel más bajo n = 1; entonces, el átomo de hidrogeno se encuentra en estado normal, pero, si ponemos a éste átomo de hidrogeno, en un sistema donde efectuemos descargas eléctricas, el átomo se excita, y el electrón salta a un nivel superior, con gran absorción de calor. Debido a que el estado excitado del átomo, es muy inestable, provoca que el electrón regrese a una orbita de más bajo nivel de energía.

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Al inicio, el modelo de Bohr parecía muy prometedor, se aplicaba al átomo de hidrogeno muy bien, pero al aplicar este modelo a otros átomos diferentes, no encajaba correctamente. Aún así, este modelo facilitó la investigación a teorías posteriores, es de importancia mencionar, que la teoría de la estructura atómica actual, no es igual al modelo de Bohr, ya que los electrones no se mueven alrededor del núcleo en orbita circular como planetas alrededor del sol.

Modelo de Mecánica Ondulatoria

Como el modelo propuesto por Bohr, no se ajustaba a distintos átomos, a mediados de la década de 1920 algunos científicos propusieron diferentes modelos, con el objetivo de explicar el movimiento de los electrones en un átomo. Luís Víctor de Broglie y Wermer Schrodinger, sugirieron, que como la luz se comporta simultáneamente como onda y como corriente de partículas, quizás, el átomo presentaba también estas mismas características, ya que se suponía al electrón, como una partícula muy pequeña, por lo que estos científicos, investigaron si podían descubrirlo como onda. Victor de Broglie fue el primer científico en mencionar la cualidad onda partícula de la materia, relacionó el momento de un cuerpo en su masa y velocidad, y llamo “momento” al producto de multiplicar su masa y velocidad. El momento de un cuerpo, es inversamente proporcional a su longitud de onda, por lo tanto, si aumenta el momento, disminuye su longitud de onda. Para saber el comportamiento de un electrón, debemos conocer donde se encuentra éste, con cuanta velocidad se mueve y, que dirección lleva. Se puede conocer su posición futura, sabiendo su posición presente y su momento.

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Para explicar esto de alguna manera, imaginemos una luciérnaga macho en un cuarto oscuro, en el cual, colocamos al centro un recipiente con hormona sexual femenina, en una esquina, ponemos una cámara fotográfica con el objetivo abierto; cada vez que la luz de la luciérnaga parpadea, la cámara registra un punto pequeño de luz, así como la posición del insecto, para ese momento dentro de la habitación. Como la luciérnaga se pasa la mayor parte del tiempo, cerca del atrayente sexual, pero sin embargo, en ocasiones vuela de manera aleatoria alrededor del cuarto. Al revelar la película fotográfica, obtendríamos una foto con mayor intensidad luminosa en el centro del cuarto, por lo que la intensidad de la luz, nos indicara la frecuencia, con la que la luciérnaga visitó determinado punto del cuarto, y como resulta lógico, la mayor frecuencia de visitas, será al lugar en donde se colocó el atrayente sexual.

Representación de la foto del experimento de la luciérnaga.

Si nos ponemos a observar a la luciérnaga dentro del cuarto, podríamos ver en determinado punto de la habitación un destello de luz, pero ¿En dónde se verá después? No hay forma de saberlo con seguridad, porque la trayectoria de su vuelo no es predecible. Pero sin embargo, si la foto hubiera sido con exposición de tiempo, tendríamos cierta idea de donde estaría. La mayor probabilidad, es cerca de donde se encuentra el atrayente sexual, por lo que se piensa que existe mayor probabilidad de localizar a la luciérnaga en determinado momento cerca del atrayente sexual. Es imposible tener la seguridad de que el insecto se moverá hacia el sebo sexual, pero probablemente lo hará. Por lo tanto, la foto de exposición de tiempo, es un mapa probabilístico del patrón de vuelo del insecto. Según el modelo de la mecánica ondulatoria, el electrón del átomo de hidrogeno, se comporta de forma parecida a la luciérnaga., se observó que no se podía describir con exactitud la trayectoria del electrón, pero mediante modelos matemáticos, se logra predecir la probabilidad de localizar al electrón en un determinado punto del espacio alrededor del núcleo. Este modelo, no nos proporciona información acerca del momento en que el electrón se encuentra en determinado espacio, o la manera en que éste se mueve. Se piensa que es imposible conocer a detalle como se mueven los electrones, lo que sí se puede saber, es que el electrón no sigue orbitas circulares alrededor del núcleo.

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Niveles de Energía

Algunos modelos atómicos están basados en la mecánica cuántica, y en la mecánica ondulatoria con sus características de partícula y onda. En este modelo los electrones están girando alrededor del núcleo formando una nube alrededor de él. Esta nube de electrones esta compuesta de niveles y subniveles energéticos; la energía total del modelo se establece con los números cuánticos: n, l, m y s, los cuales representan los niveles de energía, así mismo existen cuatro subniveles representados por: s, p, d y f. con estos números cuánticos expresamos la periodicidad química por medio del concepto de impulso, que está relacionado a su vez, con materia, energía, espacio y tiempo. Este modelo presenta de manera fundamental, el acomodo de los elementos en orden creciente de su número atómico, se ha encontrado, que los elementos se forman siguiendo un principio de edificación progresiva; es decir, cada átomo, tiene un protón y un electrón más que el anterior. La clasificación cuántica de los elementos, se basa en el modelo de Dirac y, existen reglas para predecir la configuración electrónica de todos los átomos de los elementos; esta teoría, nos da a conocer conceptos sobre el átomo, estableciendo para cada uno, su distribución electrónica de acuerdo a su estado de energía. Como los electrones se encuentran a diferentes distancias del núcleo, varían su energía y propiedades y, se encontró, que dos electrones del mismo átomo jamás pueden tener sus cuatro números cuánticos iguales; es decir, dos electrones, no pueden encontrarse en el mismo nivel de energía. Cualquier orbita que se trate, no puede admitir mas de dos electrones (esto según el principio Pauli), cuando dos electrones ocupan el mismo orbital deben de ser de spin opuesto. Se conoce como electrón diferencial, a aquel que posibilita distinguir a un elemento de otro, ya sea anterior o posterior; como ya se menciono con anterioridad, los átomos se agrupan en una edificación progresiva, este principio nos indica, que los electrones se acomodan primeramente en los orbítales de menor energía, y una vez llenado el subnivel, se inicia el llenado del siguiente. La nube electrónica del átomo, se forma de diferentes niveles, los cuales identificamos con el número cuántico “n”. Resumen de niveles y subniveles de energía

Nivel

Subnivel

n=1

s

n=2

s,p

n=3 n=4

s, p, d s, p, d, f

Numero de Subniveles

1 subnivel

1 orbital “s”

Numero de electrones por nivel ( 2n2 ) 2

2 subniveles

1 orbital “s” 3 orbitales “p”

2 6

1 orbital 3 orbitales 5 orbitales 1 orbital 3 orbitales 5 orbitales 7 orbitales

2 6 10 2 6 10 14

3 subniveles 4 subniveles

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Orbitales

“s” “p” “d” “s” “p” “d” “f”

8 18

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Lectura: Imágenes por resonancia magnética Un reto importante para el diagnostico medico, es poder observar dentro del cuerpo humano, desde el exterior, hasta hace poco, esto solo era posible por medio de los rayos “x” para obtener imágenes de huesos, músculos y órganos. Aunque el uso de ésta técnica presenta varias desventajas: por ejemplo, no producen imágenes bien definidas de estructuras fisiológicas traslapadas, los tejidos dañados o enfermos frecuentemente producen la misma imagen que los sanos, y como los rayos “x” son radiaciones de alta energía pueden ocasionar daños fisiológicos, aun en dosis bajas. Durante los años ochenta, surge una nueva técnica, denominada imágenes por resonancia magnética, la cual dio paso a la vanguardia de la tecnología para obtener imágenes medicas; el funcionamiento de esta técnica es un fenómeno llamado resonancia magnética nuclear, el cual fue descubierto a mediados de los años cuarenta. Hoy en día, ésta técnica se ha convertido en uno de los métodos electroscópicos más importantes utilizados en química, y se basa en la observación de que, al igual que los electrones, los núcleos de muchos elementos presentan un espín intrínseco cuantizado; por ejemplo, el núcleo de átomo de hidrogeno 1H (un protón) tiene dos posibles números cuánticos de espín nuclear, +½ y -½. El núcleo de hidrogeno es el que de manera mas frecuentemente se estudia por la resonancia magnética nuclear. El núcleo de hidrogeno en rotación actúa como un diminuto imán, el cual en ausencia de efectos externos, los dos estados del espín tienen la misma energía, pero cuando los núcleos son colocados en un campo magnético externo se pueden alinear, ya sea paralelos u opuestos al campo, esto dependiendo de su espín. La alineación paralela tiene más baja energía que la opuesta. Si los núcleos son irradiados con fotones cuya energía es igual a la diferencia de energía de la alineación, el espín de los núcleos puede invertirse, es decir, excitarse de la alineación paralela a la opuesta. La detección de la inversión de los núcleos entre los dos estados de spín produce un espectro de resonancia magnética nuclear. La radiación utilizada en un experimento de resonancia magnética nuclear se encuentra en el intervalo de radiofrecuencias, es decir entre 100 y 500 MHz. En ésta técnica, el cuerpo de la persona se coloca dentro de un campo magnético intenso, mediante irradiación del cuerpo con pulsos de radiofrecuencias y el uso de técnicas de detección avanzadas, se logran obtener imágenes de los tejidos a profundidades especificas dentro del cuerpo, produciendo imágenes muy detalladas; la capacidad para logar muestras de diferentes profundidades le permite a los técnicos médicos construir imágenes en tercera dimensión. Esta técnica no presenta las desventajas como los rayos “x”, ya que los tejidos enfermos presentan una apariencia muy diferente de los sanos, las estructuras traslapadas se distinguen fácilmente y la radiación de radiofrecuencias no es perjudicial al ser humano en la dosis utilizada.

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Actividad

1. Que factor se requiere para que un electrón salte a un nivel superior con gran absorción de calor _______________________________________________________________________________ 2. Estos científicos sugirieron que la luz se comporta simultáneamente como onda y como corriente de partículas _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 3. En el modelo propuesto por Bohr ¿que origina que los electrones giren alrededor del núcleo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 4. De que manera podemos conocer el comportamiento de un electrón _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 5. ¿Que pasa cuando un electrón está orbitando al núcleo en orbita fija? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 6. ¿A que se le llama configuración electrónica? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 7. Describe el principio de exclusión de Pauli _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 8. Describe la configuración electrónica del elemento Litio (Z = 3 ) _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 9. Describe la configuración electrónica del elemento Carbono (Z = 6 ) _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 10. Describe la configuración electrónica del elemento Magnesio (Z = 12 ) _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 11. ¿De que dependen las propiedades químicas de un átomo? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 12. En que consiste la importancia del modelo de la mecánica ondulatoria _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

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UNIDAD III Tabla Periódica Aunque Dimitri Mendeleiev es considerado a menudo el "padre" de la tabla periódica, su estructura actual es el fruto del trabajo de muchos científicos. Un requisito previo necesario a la construcción de la tabla periódica era el descubrimiento de los elementos individuales; aunque elementos como oro, plata, estaño, cobre, plomo y mercurio eran conocidos desde la antigüedad, el primer descubrimiento científico de un elemento tuvo lugar en 1669 cuando Hennig Brand descubrió el fósforo. Durante los siguientes 200 años, se adquirió un gran conocimiento sobre las propiedades de los elementos y de sus compuestos. En 1869, habían sido descubiertos un total de 63 elementos, como el número de elementos conocidos continuaba creciendo, los científicos empezaron a buscar patrones en sus propiedades y a desarrollar esquemas para su clasificación. En 1817 Johann Dobereiner observó que el peso atómico del estroncio (Sr), era aproximadamente la media entre los pesos del calcio y del bario, dichos elementos presentan propiedades químicas similares. En 1829, tras descubrir la tríada de halógenos compuesta por cloro, bromo y yodo, así como la tríada de metales alcalinos litio, sodio y potasio, Dobereiner propuso, que en la naturaleza existían tríadas de elementos, de forma que el elemento central tenía propiedades que eran un promedio de los otros dos miembros de la tríada (la Ley de Tríadas). Esta nueva idea de tríadas, se convirtió en un área de estudio muy popular. Entre 1829 y 1858 diversos científicos como Jean Baptiste Dumas, Leopold Gmelin, Ernst Lenssen, Max Pettenkofer, y J.P. Cooke; encontraron que estos tipos de relaciones químicas, se extendían más allá de las tríadas. Durante este tiempo, se añadió el flúor al grupo de los halógenos; se agruparon oxígeno, azufre, selenio y telúro en una familia, mientras que nitrógeno, fósforo, arsénico, antimonio y bismuto fueron clasificados en otra. Las investigaciones llevadas a cabo presentaban la dificultad de que no siempre se disponía de valores exactos para las masas atómicas y se hacía difícil la búsqueda de regularidades. Si una tabla periódica se considera como una clasificación de los elementos químicos que demuestran la periodicidad de las propiedades físicas y químicas, habría que atribuir la primera tabla periódica (publicada en 1862) al geólogo francés, A.E. Beguyer de Chancourtois. De Chancourtois dispuso los elementos según el orden creciente de sus pesos atómicos, sobre una curva helicoidal en el espacio, de manera que los puntos que se correspondían sobre las sucesivas vueltas de la hélice, diferían en 16 unidades de peso atómico. Los elementos análogos, estaban situados en tales puntos, lo que sugería una repetición periódica de las propiedades. Esta disposición se conoce como tornillo telúrico. Esto llevó a Chancourtois a proponer que las propiedades de los elementos son las propiedades de los números. De Chancourtois fue el primero en observar que las propiedades se repetían cada siete elementos, y usando esta representación, pudo predecir la estequiometría de varios óxidos metálicos. Desgraciadamente, incluyó en su clasificación algunos iones y compuestos además de los elementos.

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John Newlands, un químico inglés, redactó un trabajo en 1863 en el que clasificaba los 56 elementos, estableciendo 11 grupos basados en propiedades físicas similares, y mencionaba, que en muchos pares de elementos similares, existían diferencias en la masa atómica relacionadas con algún múltiplo de ocho. En 1864 Newlands publicó su versión de la tabla periódica, y propuso la Ley de las Octavas, esta ley establecía que un elemento dado presentaría unas propiedades análogas al octavo elemento siguiente en la tabla. El descubrimiento de nuevos elementos químicos a mantenido un proceso continuo desde la antigüedad, algunos elementos como el oro, están en la naturaleza en forma elemental por lo que se descubrieron hace miles de años, algunos otros, son radioactivos o inestables, solo los conocemos debido a los avances tecnológicos del siglo XX. La mayor parte de los elementos, están dispersos en la naturaleza formando compuestos, razón por la cual, los científicos no se dieron cuenta de su existencia. Al avanzar la ciencia química se logró aislar estos elementos de sus compuestos por lo que la cantidad de elementos conocida se duplico de 31 en 1800, a 63 en 1865. Al incrementar la cantidad de elementos conocidos los científicos investigan la posibilidad de clasificarlos, y es en 1869 en Rusia que el científico Dimitri Mendeleiev así como el alemán Lothar Meyer en forma paralela publican esquemas para clasificar los elementos. En dicho esquema, se señalan las propiedades físicas y químicas, las cuales ocurren en forma periódica si los elementos son acomodados en orden de peso atómico creciente, estas tablas propuestas son las precursoras de la tabla periódica moderna. En su Tabla periódica de los elementos, Mendeleiev agrupó los elementos con propiedades semejantes uno junto a otro horizontalmente, mientras que en las tablas actuales, se colocan uno debajo del otro. Mendeleiev ordenó los elementos por sus pesos atómicos; ahora se ordenan conforme a sus números atómicos. Así pues, hay varias diferencias entre la tabla original del científico ruso y las actuales. Para comprender la importancia de la tabla periódica de los elementos, retrocedamos en el tiempo, al año de 1815, cuando el científico y médico inglés William Prout observó que, al escoger el peso del hidrógeno como la unidad, las masas atómicas de la mayoría de los elementos ligeros, eran muy aproximadamente cercanas a números enteros. Esto lo llevó a concluir que los átomos de todos los elementos deberían de estar formados por átomos de hidrógeno. De acuerdo con esta teoría, el átomo de oxígeno estaría formado por 16 átomos de hidrógeno, y el carbono por 12. Ahora sabemos que Prout estaba muy cerca de la realidad; sin embargo, su idea no fue aceptada en esa época. Sólo 54 años después, cuando estas ideas se cristalizaron, Dimitri Mendeleiev en Rusia y Lothar Meyer en Alemania, en el mismo año, publicaron tablas similares, en las que establecieron las leyes de las propiedades de los elementos, a los que ordenaron de acuerdo con sus masas atómicas, comenzando por el hidrógeno, el más ligero de ellos. Mendeleiev agrupó los elementos, por orden creciente de sus pesos atómicos, en periodos o series, de manera que quedasen ordenados por propiedades semejantes. En la época de Mendeleiev faltaban aún numerosos elementos por descubrirse, y constituían los huecos en la tabla que elaboró, en lugar de considerarlos como excepciones de su sistema de clasificación Mendeleiev supuso, con osadía, que los huecos de su clasificación correspondían a elementos desconocidos en esa época; y como si eso fuera poco, se lanzó a describir los elementos faltantes. Se 103

puede decir que la importancia de su tabla periódica de los elementos se basa más en los huecos que encontró, que en la tabla misma. Mendeleiev se fijó de modo especial en tres huecos que quedaban junto a los elementos boro, aluminio y silicio y que correspondían a elementos aún no conocidos, sabiendo de ellos solamente el sitio que ocuparían en la tabla cuando fuesen descubiertos. Llegó incluso a ponerles nombres a los elementos que correspondían a esos huecos: ekaboro, ekaaluminio y ekasilicio. Tomando en cuenta que las propiedades de los elementos en un mismo grupo son semejantes, Mendeleiev pudo predecir sus propiedades físicas y químicas, quizás la tabla de Mendeleiev no habría tenido tanta importancia si no se hubieran verificado sus predicciones. Los diferentes elementos que faltaban dentro de la tabla fueron descubriéndose generalmente a partir de los minerales de los elementos vecinos, ya que las propiedades químicas similares tienden a reunir a los elementos del mismo grupo. Los tres elementos mencionados, ekaboro, ekaaluminio y ekasilicio, fueron descubiertos en un periodo de quince años a partir de la descripción de Mendeleiev. Con el descubrimiento del germanio, la hipótesis se fortaleció, pues las propiedades de ese elemento se parecían asombrosamente a las del ekasilicio predicho por Mendeleiev. Igualmente sorprendentes resultaron los descubrimientos del galio, que correspondía al ekaaluminio, y del escandio, correspondiente al ekaboro. Nadie podía dudar después de esto de la validez o utilidad de la tabla periódica. A pesar del gran éxito que había tenido el sistema de Mendeleiev, aún tenía que resistir la repercusión del descubrimiento de varios materiales radiactivos, para los que no parecía encontrarse sitio en la tabla periódica. Todavía, en los años veinte de este siglo quedaban por descubrirse varios elementos, entre ellos los análogos del manganeso, cuya existencia fue anticipada por Mendeleiev, quien los llamó ekamanganeso y dimanganeso. Transcurrieron más de 50 años hasta que se descubrió el renio, que correspondía al dimanganeso de Mendeleiev. De hecho, el renio fue el último de los elementos estables descubiertos; y fue necesario el desarrollo de la física nuclear y de la radioquímica para descubrir, finalmente, que los elementos faltantes eran radiactivos de vida media, bastante más corta que la vida de nuestro planeta y que, por consiguiente, no existían en la Tierra. El descubrimiento de los llamados gases nobles, se da en 1895, cuando Lord Rayleigh informó del descubrimiento de un nuevo elemento gaseoso, llamado argón, que resultaba ser químicamente inerte. Este elemento no encajaba en ninguno de los grupos conocidos de la tabla periódica. En 1898, William Ramsey sugirió que el argón se colocara entre el cloro y el potasio conformando una familia con ellos, esto a pesar del hecho, de que el peso atómico del argón era mayor que el del potasio, este grupo fue llamado "grupo cero" debido a la valencia cero de estos elementos. Ramsey predijo con precisión el descubrimiento futuro del neón y sus propiedades. Aunque la tabla de Mendeleiev demostró la naturaleza periódica de los elementos, la explicación de por qué las propiedades de los elementos se repiten periódicamente tuvo que esperar hasta el siglo XX. La pregunta de por qué la ley periódica existe se contestó gracias al conocimiento y comprensión de la estructura electrónica de los elementos, que comenzó con los estudios de Niels Bohr sobre la organización de los electrones en capas y con los descubrimientos de G.N. Lewis sobre los enlaces de pares de electrones

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Los últimos cambios importantes en la tabla periódica son el resultado de los trabajos de Glenn Seaborg a mediados del siglo XX, empezando con su descubrimiento del plutonio en 1940 y, posteriormente, el de los elementos transuránicos del 94 al 102. Seaborg, premio Nóbel de Química en 1951, reconfiguró la tabla periódica poniendo la serie de los actínidos debajo de la serie de los lantánidos. En las tablas escolares suele representarse el símbolo, el nombre, el número atómico y la masa atómica de los elementos como datos básicos y, según su complejidad, algunos otros datos sobre los elementos. En la tabla periódica moderna, los elementos están acomodados por orden de aumento de su número atómico, así mismo, están ordenados en filas horizontales y columnas verticales. Por ejemplo, se conoce que el fluor y el cloro son gases muy reactivos y forman compuestos similares, también conocemos que el sodio y el potasio se comportan de manera semejante; el nombre de la tabla periódica se refiere, a que al aumentar el número atómico, el elemento que sigue, presenta propiedades similares a las del elemento anterior. Por lo tanto, los elementos que presentan comportamiento similar están ordenados en la misma columna y forman una familia o grupo. Estos grupos o familias se pueden nombrar por el número que está encima de la columna, aunque algunos grupos tienen nombre, por ejemplo, la primera columna de elementos (grupo I) se llama metales alcalinos, los elementos del grupo II se denominan metales alcalinotérreos, los elementos del grupo XVII se llaman halógenos y los del grupo XVIII gases nobles. La disposición de los elementos es en orden de número atómico creciente, colocando en columnas verticales a los elementos que presentan propiedades semejantes, se conoce como tabla periódica. Las columnas de la tabla periódica reciben el nombre de grupos, la designación de estos grupos es un tanto arbitraria por lo que se crea un poco de confusión; en un esfuerzo por eliminar este problema la Unión Internacional de Química Pura Aplicada ha propuesto una convención que numera los grupos desde el 1 al 18 sin designaciones de letras. Los elementos que pertenecen al mismo grupo presentan ciertas semejanzas en sus características físicas y químicas, por ejemplo, los metales de acuñación como el cobre (Cu), plata (Ag), y oro (Au), pertenecen al grupo #11, como su nombre lo sugiere, los metales de acuñación, se utilizan mundialmente para hacer monedas, como se menciono anteriormente, muchos otros grupos de la tabla periódica tienen nombres. Una gran cantidad de elementos que abarca muchas columnas reciben el nombre de metales en transición, la mayoría de los elementos son metales y presentan las siguientes características físicas. • • • •

Buenos conductores de calor y electricidad. Son maleables. Son dúctiles. Son lustrosos.

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Todos los elementos del lado izquierdo y la parte media de la tabla (con excepción del hidrogeno) son metálicos, como se observa la mayoría de los elementos son metales y se encuentran separados de los metales por una línea diagonal escalonada que va del boro al astato, los no metales carecen de las propiedades de los metales, muchos de los no metales son gaseosos, y uno es liquido (bromo) y algunos otros son sólidos. Los elementos que están cerca de la escalera presentan una mezcla de propiedades metálicas y no metálicas y reciben el nombre de metaloides o semimetales y se incluyen entre estos el Boro, Silicio, Germanio, Arsénico, Antimonio y Telurio. Grupo

Nombre

Elementos

1 2 16 17 18

Metales Alcalinos Metales Alcalinotérreos Calcógenos Halógenos Gases Nobles

Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra O, S, Se, Te, Po F, Cl, B, I, At He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn

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Lectura: Evolución del sistema periódico. En 1868, durante el proceso de edición del manual de química que había escrito, Julius Lothar Meyer, de la Universidad de Breslau, ideó una tabla periódica que resultó ser extraordinariamente parecida a la famosa versión de Mendeleiev de 1869, aunque Meyer no llegó a clasificar todos los elementos correctamente. Sin embargo, por culpa del editor, la tabla no apareció impresa hasta 1870, lo que vino a complicar la reñida disputa de prioridad que sostuvieron Meyer y Mendeleiev. Mendeleiev se hallaba también escribiendo un libro de texto de química cuando, casi al mismo tiempo que Meyer, dio forma a su propia tabla periódica. A diferencia de sus predecesores, el ruso confiaba lo bastante en su tabla como para predecir la existencia de nuevos elementos y las propiedades de sus compuestos, así como para corregir el valor del peso atómico de alguno de los elementos conocidos. Mendeleiev admitió haber visto algunas de las tablas anteriores, como la de Newlands, pero negó conocer el trabajo de Meyer al preparar su tabla. A pesar del avance que supuso la capacidad predictiva de la tabla de Mendeleiev, los historiadores tienden a exagerar su importancia y sugieren que ésta fue la razón última de la aceptación de la tabla. No advierten que el texto que acompaña a la Medalla Davy de la Regia Sociedad de Londres (otorgada a Mendeleiev en 1882) no menciona sus predicciones en absoluto. La habilidad de Mendeleiev para acomodar los elementos conocidos puede haber contribuido a la aceptación de su sistema tanto como sus sorprendentes predicciones. Aunque muchos contribuyeron al desarrollo del sistema periódico, se suele atribuir a Mendeleiev el descubrimiento de la periodicidad química porque elevó tal descubrimiento a ley de la naturaleza y dedicó el resto de su vida a examinar sus consecuencias y defender su validez. Defender la tabla periódica no era nada sencillo. Se sucedieron los hallazgos que cuestionaban una y otra vez su precisión. Así, en 1894, cuando William Ramsay, del University College de Londres, y Lord Rayleigh (John William Strutt), de la Regia Institución de Londres, descubrieron el elemento argón. Durante los años siguientes, Ramsay anunció el descubrimiento de otros cuatro elementos (helio, neón, criptón y xenón), denominados gases nobles. (El último de los gases nobles conocidos, el radón, fue descubierto por Friedrich Ernst Dorn en 1900.) El calificativo “noble” responde al comportamiento de tales gases, que parecen mantenerse al margen del resto de los elementos y rara vez forman compuestos con ellos. Por eso hubo quien sugirió que los gases nobles ni siquiera pertenecían a la tabla periódica. Ni Mendeleiev ni nadie había predicho la existencia de estos elementos; sólo tras seis años de intensos esfuerzos se logró incorporarlos a la tabla periódica. Para ello tuvo que añadirse una columna adicional entre los halógenos (los gases flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y los metales alcalinos (litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y francio).

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Otro de los problemas que planteó la tabla de Mendeleiev concernía a la ordenación exacta de los elementos. En la versión original los elementos estaban dispuestos según su peso atómico, pero en 1913 Anton van den Broek, físico teórico, propuso como criterio de ordenación la carga nuclear de cada átomo. Esta hipótesis fue sometida a prueba por Henry Moseley, de la Universidad de Manchester, poco antes de morir trágicamente durante la Primera Guerra Mundial. Moseley empezó por fotografiar el espectro de rayos X de 12 elementos, 10 de los cuales ocupaban puestos adyacentes en la tabla periódica. Descubrió que la frecuencia de la línea K del espectro de cada elemento era directamente proporcional al cuadrado del entero que indicaba la posición del elemento en la tabla. Para Moseley esto probaba “la existencia en el átomo de una cantidad fundamental, que aumenta de forma regular al pasar de un elemento al siguiente”. Esta cantidad fundamental, que en 1920 Ernest Rutherford, de la Universidad de Cambridge, llamó por primera vez número atómico, se identifica ahora con el número de protones en el núcleo. El trabajo de Moseley ofrecía un método para determinar exactamente cuántos puestos vacantes quedaban en la tabla periódica. Una vez descubierto, los químicos pasaron a usar el número atómico, en lugar del peso atómico, como principio básico de ordenación de la tabla. El cambio eliminó muchos de los problemas pendientes en la disposición de los elementos. Por ejemplo, al ordenar el yodo y el telurio según su peso atómico (con el yodo primero), ambos parecían ocupar una posición incorrecta en lo que respecta a su comportamiento químico. Pero si se ordenaban según su número atómico (con el telurio delante) los dos elementos ocupaban sus posiciones correctas. La tabla periódica no sólo inspiró el trabajo de los químicos, sino también el de los físicos que se afanaban por desentrañar la estructura del átomo. En 1904, J. J. Thomson (descubridor del electrón) desarrolló un modelo del átomo que explicaba la periodicidad de los elementos. Thomson propuso que los átomos de cada elemento contenían un número determinado de electrones dispuestos en anillos concéntricos. Los elementos con una configuración electrónica similar gozarían, según Thomson, de propiedades similares, lo que suponía la primera explicación física de la periodicidad de los elementos. Thomson imaginaba los anillos de electrones integrados en el cuerpo principal del átomo, y no orbitando alrededor del núcleo, como se cree hoy. Con todo, su modelo es el primero en abordar la disposición de los electrones en el átomo, una idea fundamental para la química moderna. Biblioteca de Consulta Microsoft ® Encarta ® 2005. © 1993-2004 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

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Periodicidad Las propiedades de los elementos, son funciones periódicas de sus números atómicos, ésta "ley", es un postulado amplio que todavía tiene mucha utilidad como base para las generalizaciones y comparaciones del comportamiento químico. Los científicos de todo el mundo, concuerdan en que la Ley Periódica, expresa relaciones bien caracterizadas de las propiedades químicas, así como de las estructuras de los átomos. Las tablas periódicas modernas, se fundamentan en la distribución electrónica, la cual es la responsable de determinar las propiedades físicas y químicas de los elementos. Los rasgos fundamentales, son el ordenamiento de los elementos de acuerdo a su número atómico creciente, y el hecho de que los de propiedades similares se hallen unos debajo de otros en columnas verticales. A las columnas o secuencias verticales, las conocemos como grupos, y en éstos, encontramos a elementos con configuración electrónica similar. Anteriormente, estos grupos se designaban de manera tradicional con números romanos del I al VIII y letras A o B, aunque la IUPAC (por sus siglas en ingles) en 1989 estableció el uso de números arábigos del 1 al 18 sin ninguna letra. Las secuencias horizontales las conocemos como periodos, y están numeradas del uno al siete, empezando por arriba. En cada período, se ubican los elementos cuyos átomos poseen tantos niveles energéticos ocupados como número del período. Así, el elemento de Z=3 tendrá 3 electrones distribuidos de la siguiente manera: 1s2 2s1 por lo tanto presenta 2 niveles ocupados (el primero completo y el segundo no) por lo tanto se encontrará en el período 2. Podemos observar que la tabla periódica presenta 3 zonas, las cuales se encuentran divididas por medio de grupos más grandes: metales, no metales y gases nobles, si bien, la clasificación no es de manera estricta, los elementos que se localizan a la izquierda de la tabla, presentan características que los identifican como metales: son buenos conductores del calor y de la electricidad, generalmente son sólidos a temperatura ambiente, etc. Dichas propiedades derivan de la habilidad electrónica, lo que determina su tendencia a formar cationes. En contraste, los elementos ubicados en la parte superior derecha de la tabla, están considerados como no metales, y presentan propiedades opuestas a los elementos anteriores. Cabe hacer mención, que el hidrógeno, posee una ubicación incierta, ya que por algunas de sus propiedades, debería incluirse con los no metales, pero por su configuración electrónica y la capacidad de originar cationes +1, también podría ubicárselo a la izquierda de la tabla. La tercera zona, corresponde a la última columna de la tabla: los gases nobles. Estos elementos se consideran un grupo aparte por ser elementos que presentan una estabilidad especial y que no suelen combinarse con otros.

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Por otro lado, de acuerdo a su configuración electrónica, la tabla presenta 3 tipos de elementos: ƒ

Los elementos representativos que están ubicados en los grupos designados con la letra “A”. El concepto de elemento representativo está relacionado con la adición progresiva de electrones a los subniveles s y p del último nivel energético de los átomos. En cada grupo, se ubican los elementos cuyos átomos poseen en el último nivel, igual número de electrones que número de grupo; así, un elemento del grupo VA (15) tendrá 5 electrones externos. Como ya vimos con anterioridad, algunos grupos reciben denominación especial, así el IA (1), se llama grupo de los alcalinos, el IIA (2) , de los alcalino-térreos, el VII A (17), de los halógenos, y el VIII A(18), de los gases nobles.

ƒ

La sección media de la Tabla periódica, comprende a los elementos que interrumpen la serie de representativos. La primera interrupción, es causada por 10 elementos y ocurre en el cuarto período entre los Grupos 2 y 3, es decir, entre el Calcio y el Galio. También hay 10 elementos que constituyen la transición entre los Grupos 2 y 3, a partir del cuarto período. A estos grupos de elementos se les llama elementos de transición, en comparación con los elementos representativos, la progresión de propiedades químicas de los elementos de transición, es menos notoria, por lo tanto, se puede decir, que los elementos de transición constituyen, desde el punto de vista químico, un grupo mucho más homogéneo que el de los representativos. El concepto de "elementos de transición" está relacionado con la adición progresiva de electrones a los subniveles d del penúltimo orbital de los átomos.

ƒ

La sección inferior de la Tabla incluye a los elementos que interrumpen la serie de elementos de transición. El mayor escollo acerca de estos elementos, radicaba en que al ser muy similares, resultó difícil caracterizarlos, separarlos y determinar cuántos eran, es decir, hubo necesidad de asegurarse de que algunos de éstos "elementos" no fueran mezclas de otros. A esta serie se le dio el nombre de elementos de tierras raras o lantánidos (la palabra "tierras" se usó como sustituto de óxidos). Mucho después se supo que los quince elementos que siguen al radio en el séptimo período constituyen una serie análoga y sus miembros recibieron el nombre de tierras raras pesadas o actínidos. En conjunto, las dos series se denominan elementos de transición interna. El concepto de "elementos de transición interna" está relacionado con la adición progresiva de electrones en los subniveles f del

110

antepenúltimo nivel ocupado de los átomos. Se considera que los actínidos son una interrupción de los elementos de transición del período siete.

De manera frecuente, pensamos en los átomos como objetos de forma esférica con límites bien definidos, sin embargo, una conclusión obtenida de la mecánica cuántica, es que el átomo no tiene límites definidos que determinen su tamaño. Ya que la distribución de la densidad electrónica, disminuye de manera lenta al incrementarse la distancia al núcleo. El radio atómico, es difícil de definir para un átomo aislado, sin embargo, en el caso de que dos átomos se unan entre sí, por ejemplo cloro (Cl2) o Bromo (Br2), puede definirse el radio atómico, como el radio de una esfera que tiene la longitud de enlace cuando las esferas se tocan entre sí. Los procedimientos de medida del mismo, son indirectos, y no nos detendremos en ellos, pero es importante ver su periodicidad. Pueden deducirse algunas tendencias de la variación del tamaño atómico en la tabla periódica: ƒ

Al bajar por un grupo, el radio atómico tiende a incrementarse.

ƒ Al desplazarse de derecha a izquierda en un período el radio tiende a aumentar.

111

Estas dos pequeñas reglas, son el resultado de dos importantes factores: el número cuántico principal del nivel más externo y la carga nuclear efectiva que actúa sobre sus electrones. Al aumentar el número cuántico principal del nivel mas externo y disminuir la carga nuclear efectiva sobre los electrones, el radio atómico será más grande. La carga nuclear efectiva experimentada por un electrón en un nivel de energía externo es menor que la carga nuclear, esto es a causa de que loe electrones que ocupan los niveles de energía internos, apantallan o escudan al núcleo de los electrones más externos, produciendo una disminución de la carga nuclear real y por tanto la fuerza de atracción. Al bajar por un grupo, se produce el incremento del radio atómico debido a que aumenta el número de niveles ocupados y simultáneamente disminuye la carga nuclear efectiva esto debido al efecto de apantallamiento descrito con anterioridad. Al movernos de izquierda a derecha dentro de un período, se produce una disminución del radio atómico ya que por cada lugar que se avanza aumenta en uno el número de protones y de electrones, los cuales se ubican en el mismo nivel, lo que provoca que las fuerzas de atracción se incrementen debido al aumento de la carga nuclear efectiva, comprimiendo así al átomo. Una conclusión obtenida de la mecánica cuántica, es que el átomo no tiene límites definidos que determinen su tamaño. Con respecto al radio de los iones, el tamaño de éstos, depende de su carga nuclear, el número de electrones que tiene y de los subniveles en que se encuentran los electrones, sabemos que muchos metales reaccionan con otros elementos perdiendo electrones para formar cationes. Así, cada uno de los elementos del grupo uno, presentan un electrón en el último nivel, que es el que ceden cuando interaccionan con otro elemento consiguiendo la configuración de gas noble. Un átomo de Litio tiene 3 protones y 3 electrones, y su electrón más externo ubicado en el subnivel 2s (1s2 2s1); el ión Li+, contiene 3 protones y solo 2 electrones, ambos en el subnivel 1s (1s2), lo que determina que el ión Li+ sea mucho más pequeño que el átomo de Litio. Por lo tanto, podemos decir que como regla general, los cationes son más pequeños que los átomos de los que provienen, y los aniones son más grandes que los átomos de los que provienen.

De acuerdo a lo anterior, los iones sodio (Na+), potasio (K+), y rubidio (Rb+), son considerablemente más pequeños que los átomos que los originan, esto debido a que la formación de un cation, no solamente vacía los subniveles que se extienden en el espacio sino que disminuyen la repulsión entre electrones. En consecuencia, los cationes son más pequeños que los átomos de los que provienen. Ahora consideremos los elementos del grupo 17 (halógenos) cuya configuración electrónica externa es ns2 np5. Estos elementos, aceptan un electrón, para conseguir la configuración de gas noble originando un anión de carga -1. Estos ocho electrones, se repelen entre sí más fuertemente que los siete originales, 112

produciendo la expansión de la nube electrónica. El ión F- es mucho más voluminoso que el átomo de Fluor. Un razonamiento similar indica que el ión cloro (Cl-), bromo (Br-) y iodo (I-) son mayores que los átomos de los que derivan, en consecuencia, los aniones son más grandes que los átomos de los que provienen. El efecto de la carga nuclear sobre los radios iónicos se puede apreciar en la variación del radio en una serie isoelectrónica de iones, es decir, que poseen el mismo número de electrones. Observe las posiciones en la tabla periódica del oxigeno al aluminio y compare los tamaños que tendrán sus iones isoelectrónicos.

La energía de ionización es llamada también potencial de ionización, ésta es la cantidad mínima de energía que se necesita para arrancar un electrón de un átomo aislado en su estado fundamental, formando un ión con carga positiva, el proceso puede representarse de la siguiente manera: Li+ + 1 e- → Li + 520 kJ/mol La figura siguiente nos muestra los valores de la energía de ionización de los elementos. En cada período (por ejemplo, en el que va del litio al neón) se aprecia, con algunas excepciones, un aumento relativamente constante de izquierda a derecha.

113

Lo anterior obedece a dos factores, en primer lugar, la carga nuclear crece (Z es mayor) hacia la derecha del período, hecho que por sí sólo hace prever un aumento del potencial de ionización en el mismo sentido; en segundo lugar, el tamaño de los átomos disminuye cuando pasamos del litio al neón, circunstancia que, también por sí sola, debe determinar un aumento de dicho potencial, ya que cuanto más cerca se halle un electrón de un núcleo, más difícil será separarlo de él. En un nivel compuesto de ocho electrones (un octeto), resulta una agrupación particularmente difícil de romper. En especial, se requiere mucha energía para arrancar un electrón de un átomo cuyo nivel exterior contenga ocho electrones, por lo que átomos como los del neón poseen un elevado potencial de ionización. Como regla general, basta recordar que los elementos de alto potencial de ionización están a la derecha en la tabla periódica, mientras que los de bajo potencial se hallan a la izquierda. La variación del potencial dentro de un mismo grupo se encuentra directamente relacionada al descender por éste, ya que por ejemplo, en el caso de los alcalinos y los gases nobles, se observa una disminución progresiva de arriba hacia abajo, hecho fácil de predecir a partir tan sólo del aumento del tamaño atómico. El átomo de helio es sumamente pequeño, por lo cual el electrón que ha de arrancarse está muy cerca del núcleo; se encuentra, pues, mucho más firmemente unido a él que en el átomo de neón, en el que se halla situado bastante más lejos. En cuanto al aumento de la carga nuclear, queda prácticamente compensado por el efecto de pantalla de los electrones interpuestos.

114

La aafinidad electrónica se conoce como la cantidad de energía puesta en juego cuando se añade un

electrón a un átomo aislado y en estado fundamental, éste proceso puede representarse como: Be + 1 e- + 241kJ/mol → BeCl + 1 e-

→

Cl- + 348 kJ/mol

Es lógico suponer que los elementos del grupo 17 tengan gran afinidad electrónica debido a que la adición de un solo electrón a un átomo, conlleva a la formación de un octeto estable. La disminución de la afinidad desde el cloro al yodo, no debe sorprendernos, ya que el tamaño atómico aumenta en este sentid; en el yodo, el electrón ha de unirse al quinto orbital, el cual se encuentra mucho mas lejos del núcleo, por consiguiente, dicho electrón quedará con menos fuerza unido al núcleo, que en los restantes elementos del mismo grupo. Ambos datos, afinidad electrónica y potencial de ionización, pueden combinarse para predecir qué átomos son capaces de arrancar electrones a otros. La electronegatividad nos indica la tendencia de un átomo a atraer electrones en una unión química, es claro que ésta tendencia se encuentra relacionada con las dos cantidades definidas anteriormente (energía de ionización y afinidad electrónica), sin embargo, dado que es una tendencia relativa, puede calcularse de diferentes modos dando lugar a diferentes escalas. La escala más frecuentemente utilizada es la de Pauling. En cualquier escala la electronegatividad irá incrementándose hacia la derecha y hacia arriba de la tabla periódica. Es importante comprender las diferencias entre la electronegatividad, la cual solamente nos indica una tendencia y cuando un átomo está unido, de las propiedades definidas anteriormente que se refieren a energías y a átomos aislados. En el tema de enlace químico se volverá sobre el concepto de electronegatividad. La propiedad antagónica a la electronegatividad se denomina electropositividad y es tomada como representativa de la propiedad denominada carácter metálico, aunque como ya sabemos éste carácter metálico incluye otras características, como son: conductividad de corriente eléctrica, conductividad térmica, maleabilidad, y ductibilidad, entre otras; debido a ello, el carácter metálico, formalmente aumenta hacia abajo y hacia la izquierda en la tabla periódica.

Después de que Rutherford propusiera el modelo nuclear del átomo, el físico inglés Henry Moseley propuso el concepto de número atómico, al identificarlo como el número de protones en el núcleo del átomo, así como a la cantidad de electrones que existen en él.

115

El concepto de número atómico, aclaró algunos problemas de la versión inicial de la tabla periódica, la cual, estaba en base a los pesos atómicos, Moseley encontró que la clasificación correcta debiera efectuarse en función del número atómico (Z) el cual nos da el número de orden progresivo. Una de las bases de la tabla periódica cuántica es precisamente el número atómico (Z) que éste científico obtuvo por medio de experimentos de frecuencias de rayos “x”. Debido a estos trabajos se revisó la ley basándose en la actualidad en los números elementos en lugar de sus masas y pesos que podemos afirmar, que las propiedades son funciones periódicas de sus números

periódica atómicos de los atómicos. Por lo de los elementos atómicos.

El número atómicos (Z) es el número que indica las cargas eléctricas de un mismo signo, ya sean positivas o negativas (protones y electrones) que están identificando a un elemento químico. Como ya conocemos. el átomo es neutro ya que cada protón de cargas positivas del núcleo se encuentra equilibrado por un electrón de carga negativa que existen fuera del núcleo, y cada elemento aumenta de forma progresiva en un protón y por lo tanto también en un electrón. Por ejemplo: 1H

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

De esta forma se generan la totalidad de los elementos conocidos, cada uno contenido por su propia energía, pero diferenciándose uno de otro por la cantidad de electrones, pero principalmente los electrones de su configuración electrónica externa. Durante los cambios físicos y químicos de la materia, el núcleo del átomo como es muy estable no sufre alteraciones, razón por la cual los investigadores establecen que la periodicidad en las propiedades físicas y químicas de los elementos se debe a la distribución de los electrones cerca del núcleo. Todos los átomos pueden tener de uno hasta ocho electrones en su configuración electrónica externa. Los que presentan ocho electrones son los llamados gases nobles o raros y tienen la característica de ser muy estables, se requiere de mucha energía para separar un electrón de este tipo de átomos. Así mismo, los átomos de la familia I a la VII pueden ganar, perder o compartir electrones, con lo cual se dan las combinaciones de los elementos. Al electrón que posibilita distinguir un elemento del que continua en la clasificación, se le denomina electrón diferencial.

Propiedades atómicas y la tabla periódica Cuando estamos analizando la probabilidad electrónica y los orbítales de los átomos, debemos de prestar atención a que la química es fundamentalmente una ciencia basada en las propiedades presentes en las sustancias, conocemos que la madera se quema, el hiero se oxida, las plantas crecen, la miel es dulce, etc., y deseamos explicar a qué se deben estos fenómenos. La teoría atómica intenta explicarnos por qué ocurren estas cosas. 116

Debido al comportamiento observado en la materia, se requiere comprender perfectamente las propiedades que caracterizan a los diversos elementos (así como sus variaciones sistemáticas). La mayoría de los elementos están identificados como metales, los cuales se encuentran al lado izquierdo y al centro de la tabla periódica; los no metales están localizados a la derecha y hacia arriba de la tabla. Existen algunos pocos elementos que presentan características de metales y no metales y se clasifican como metaloides o semimetales. Es de suma importancia comprender que un elemento no siempre se comporta exactamente como metal solo por el hecho de estar clasificado como tal. Algunos metales pierden uno o más electrones con más facilidad que otros, los metales clasificados en el grupo I (alcalinos) la facilidad para perder electrones varía así:

Cs

>

Rb

>

K

Pierde un electrón más fácilmente

>

Na

>

Li

Tiene mayor probabilidad de perder un electrón.

Como se puede ver, al bajar por el grupo existe mayor probabilidad de que los metales pierdan un electrón, lo anterior suena lógico ya que al bajar por el grupo el electrón cedido está cada vez más lejos del núcleo, por ejemplo el electrón 6s que pierde el cesio se encuentra mucho más lejos del núcleo por lo que es más fácil de suprimir que un electrón 2s del átomo del litio. La misma tendencia la podemos observar para los metales del grupo II; por lo que la probabilidad de perder un electrón es mayor en los metales localizados más abajo del grupo. Los metales también presentan propiedades variables al igual que los metales, aunque en forma general podemos decir que los elementos que atraen electrones de los metales más eficazmente están localizados en el extremo superior derecho de la tabla periódica. Como regla general podemos mencionar entonces que los metales más activos químicamente, están localizados en la parte inferior izquierda de la tabla periódica, y los no metales más activos químicamente, están localizados en la región superior derecha de la tabla periódica. Las 117

propiedades de los metaloides como es lógico, son intermedias entre los metales y no metales. Para entender las propiedades de los átomos se debe conocer no solo la configuración electrónica, sino también la fuerza de atracción entre el núcleo y los electrones exteriores. La fuerza de atracción entre el núcleo y un electrón, está en relación de la magnitud de la carga nuclear neta que se encuentra actuando sobre el electrón, y entre la distancia media entre el electrón y el núcleo. Esta fuerza de atracción se ve incrementada al aumentar la carga nuclear y disminuye a medida que el electrón se aleja del núcleo. En un átomo con muchos electrones, cada uno es atraído al mismo tiempo hacia el núcleo, y a su vez, repelido por los otros electrones; existen tantas repulsiones entre electrones que se hace imposible analizar con exactitud esta situación, lo que si podemos hacer es estimular la energía de cada electrón por su interacción con el entorno promedio originado por el núcleo y el resto de los electrones del átomo. Lo anterior nos da oportunidad de considerar de manera individual al electrón, como si estuviera moviéndose en un campo eléctrico creado por el núcleo y la densidad electrónica circulante de los demás electrones. Dicho campo eléctrico es equivalente al generado por una carga localizada en el núcleo, denominada carga nuclear efectiva (Zef), la cual actúa sobre un electrón y es igual a la cantidad de protones del núcleo (Z), menos el promedio de electrones (S), que hay entre el núcleo y el electrón en cuestión:

Zef = z –s

Moléculas y compuestos El átomo es la muestra representativa más pequeña de un elemento, sin embargo solo los gases nobles están normalmente en la naturaleza como átomos aislados; la mayor parte de la materia se compone de moléculas o iones, los cuales se forman a partir de átomos. Una molécula es un conjunto de dos o más átomos fuertemente unidos, el paquete de átomos resultantes se comporta en muchos sentidos como un objeto singular bien definido, de la misma manera en que una televisión, la cual se conforma de muchas piezas, puede ser reconocida como un solo objeto. Las reacciones químicas, son procesos de cambio de unas sustancias en otras, de acuerdo con la teoría atómica de la materia, se explican como el resultado de un reagrupamiento de átomos para dar nuevas moléculas. Las sustancias que participan en una reacción química y las proporciones en que lo hacen, quedan expresadas en la ecuación química correspondiente, que sirve de base para la realización de diferentes tipos de cálculos químicos. La naturaleza es dinámica, tanto la materia viva como la inerte sufren continuamente procesos de transformación, de los cuales, los más importantes son los que afectan a su constitución. La formación de las rocas, la erosión química de las aguas, el nacimiento de una planta o la respiración de un mamífero 118

son procesos observables, que suponen cambios de unas sustancias en otras. Todos ellos, más allá de sus diferencias, tienen algo en común: implican transformaciones a escala molecular, que son las responsables de los cambios materiales observables a simple vista. Una molécula de una determinada sustancia pura, constituye el representante elemental de dicha sustancia, es decir, la cantidad más pequeña de ella que posee todas sus propiedades químicas, cuando una sustancia dada, bajo ciertas condiciones, se transforma en otra con diferentes propiedades, se ha de pensar que algo ha ocurrido a nivel molecular. De forma espontánea unas veces y provocada otras, los átomos, que en número y proporciones fijas forman unas moléculas determinadas, pueden desligarse unos de otros por rotura de sus enlaces y reunirse nuevamente de diferente manera, dando lugar, por tanto, a nuevas moléculas. El efecto conjunto de estas transformaciones moleculares se traducirá en un cambio observable de sustancia o cambio químico, dicho proceso de transformación recibe el nombre de reacción química. Con frecuencia, sustancias formadas por iones participan en las reacciones químicas, en tales casos, las moléculas de la descripción anterior deben ser consideradas realmente como agregados iónicos. En las reacciones químicas la sustancia o sustancias iniciales se denominan reactivos y las finales productos; el proceso de transformación se representa mediante las llamadas ecuaciones químicas en la forma:

Tanto los reactivos como los productos se escriben mediante sus fórmulas correspondientes, la flecha indica el sentido de la transformación, si es posible conviene indicar en la ecuación química el estado físico de reactivos y productos, el cual se suele expresar mediante las siguientes abreviaturas situadas a continuación de la fórmula química: (s) sólido, (l) líquido, (g) gas, (ac) solución acuosa Cada uno de los símbolos químicos que aparecen en la ecuación no sólo constituye la abreviatura del nombre del elemento correspondiente, sino que además, representa un átomo de dicho elemento. Análogamente sucede con la fórmula de un compuesto, la cual designa a dicho compuesto y muestra los átomos (o los iones) que componen su molécula (o su agregado iónico elemental) así como la relación numérica entre ellos. Esta forma simbólica de escribir las reacciones químicas constituye, por tanto, la descripción de las transformaciones a nivel molecular que aquéllas implican, la representación visual de tales procesos puede efectuarse recurriendo a modelos o construcciones mediante esferas que reproducen la estructura aproximada de la molécula o del agregado iónico en cuestión. En este tipo de modelos, cada esfera, con su correspondiente color, representa un átomo o un ion y el conjunto describe la forma exterior de la molécula o del agregado iónico. Muchos objetos se encuentran en la naturaleza en forma molecular, es decir, con dos o mas elementos del mismo tipo enlazados entre si, el oxigeno que respiramos, se encuentra normalmente en el aire y consiste de moléculas conformadas por dos átomos de oxigeno, representándose esta forma molecular del oxigeno con la formula química O2. El subíndice de la formula nos indica que existen dos átomos de oxigeno en cada 119

molécula. Una molécula formada por dos átomos recibe la denominación de molécula biatómica, el oxigeno así mismo, existe en otra forma molecular conocida como ozono, las moléculas de ozono consisten en tres átomos de oxigeno, por lo que su formula química será O3, tanto el oxigeno normal como el ozono, se conforman de manera exclusiva de átomos de oxigeno, pero aun así presentan características y propiedades diferentes, por ejemplo, el O2 es indispensable para la vida, pero el O3 es toxico; el O2 es inodoro, en tanto que el O3 presenta un fuerte olor áspero y picante al olfato. Los elementos que de manera normal se encuentran presentes como moléculas biatómicas son: el hidrogeno (H2), el oxigeno (O2), el nitrógeno (N2) y los halógenos como el fluor (F2), cloro (Cl2), bromo (Br2), yodo (I2). Los compuestos que se encuentran formados por moléculas se denominan compuestos moleculares, y están conformados por mas de un tipo de átomos, por ejemplo, una molécula de agua consiste en dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno, por lo tanto, se representa con la formula química H2O. La ausencia del subíndice en el oxigeno nos indica que solo existe un átomo de oxigeno en cada molécula de agua; otro compuesto formado por estos mismos elementos pero con diferentes proporciones relativas es el denominado peroxido de hidrogeno, conocido comúnmente como agua oxigenada, y cuya formula química se representa como H2O2, y como tu sabes las propiedades de estos dos compuestos son totalmente diferentes. La formula molecular de una sustancia resume la composición de ésta, pero no nos indica la manera como se encuentran unidos los átomos para conformar la molécula, la formula estructural de un compuesto, nos indica que átomos se encuentran unidos entre ellos dentro de la molécula, por ejemplo, las formulas del agua (H2O), peroxido de hidrogeno (H2O2) y el metano (CH4), se describen de la siguiente manera:

H O H O H

H Agua

H

C

H

O

H

H

Peroxido de Hidrogeno

Metano

En las formulas estructurales, los átomos son representados por medio de sus símbolos químicos, así mismo, para representar los enlaces químicos entre los átomos se utilizan líneas, por lo regular, una formula estructural no nos muestra la geometría real de la molécula, es decir, los ángulos de unión reales de los átomos.

120

Iones El núcleo de un átomo no sufre cambios durante los procesos químicos, pero cabe destacar, que los átomos pueden ganar o perder electrones de manera muy fácil. Si un átomo neutro pierde o gana un electrón, se forma una partícula con carga eléctrica, la cual se denomina ión. A los iones que presentan carga positiva se les llama cationes, así mismo, aquellos que presentan carga negativa se llamaran anion. Por ejemplo, un átomo de sodio presenta 11 protones y 11 electrones y pierde de manera muy fácil 1 electrón, por lo tanto el cation resultante presenta 11 protones y 10 electrones por lo que tendrá una carga neta de 1+. En cambio el átomo de cloro que tiene 17 protones y 17 electrones, casi siempre gana un electrón en las reacciones químicas, dando como resultado la producción del ión Cl ¯ La carga neta de un ión se representa con un superíndice: 1+, 2+ y 3+ indicaran una carga neta resultado de la perdida de uno, dos o tres electrones respectivamente. Los superíndices: 1¯, 2¯ y 3¯ representan cargas negativas que resultaron de la ganancia de uno, dos y tres electrones respectivamente. En general, los átomos metálicos presentan una tendencia a perder electrones para formar cationes, así mismo, los átomos no metálicos presentan una tendencia a ganar electrones para forman aniones. Además de los iones sencillos como Na+ y Cl – también existen otros iones conformados por varios átomos, a los cuales se les denomina iones poliatómicos, por ejemplo: NO3¯ denominado ión nitrato, y SO42¯ al cual se le denomina ión sulfato. Estos iones consisten en átomos unidos igual que en una molécula, pero presentan carga eléctrica, ya sea positiva o negativa. Las propiedades químicas de los iones son muy diferentes a las de los átomos de los cuales se originan, ya que en esencia, aunque estén conformados por los mismos átomos el comportamiento de estos es totalmente diferente. Muchos átomos, ganan o pierden electrones con el fin de quedar con el mismo numero de electrones que el gas noble mas cercano a ellos en la tabla periódica; los miembros de la familia de los gases nobles, son muy estables, es decir, químicamente muy poco reactivos, por lo que difícilmente forman compuestos. Los elementos cercanos pueden alcanzar estos mismos arreglos estables, perdiendo o ganando electrones; por ejemplo, la pérdida de un electrón del átomo de sodio, lo deja con el mismo número de electrones que un átomo neutro de neón, con número atómico de 10. De la misma manera, cuando el átomo de cloro gana un electrón, queda finalmente con 18 electrones, lo mismo que el átomo de argón el cual presenta un número atómico de 18. Un porcentaje muy grande de toda la actividad química, implica siempre la transferencia de electrones entre las sustancias reaccionantes, se formaran iones cuando uno o mas electrones, son transferidos de un átomo neutro a otro, sabemos que cuando sodio elemental, reacciona con cloro elemental, el primero pierde un electrón, ganándolo el segundo; resultando un ión de Na+ y un ión Cl¯ , pero como sabemos, las partículas con carga opuesta se atraen, por lo que los iones Na+ y Cl¯ se enlazan, dando como resultado el compuesto cloruro de sodio (NaCl), conocido comúnmente como sal de mesa. El cloruro de sodio, es

121

un ejemplo de compuesto iónico, el cual se definirá como: aquel compuesto que contiene iones con carga positiva e iones con carga negativa. En muchos casos, podemos saber si un compuesto es iónico (formado por iones) o bien molecular (formado por moléculas), si conocemos su composición, en general, los cationes son iones metálicos, los aniones son iones no metálicos, por lo que, en consecuencia, los compuestos iónicos generalmente son combinaciones de metales y no metales (NaCl), en contraste, los compuestos de tipo molecular, generalmente solo contienen no metales, por ejemplo, H2O.

Lectura. Elementos que conforman la vida Más del 97% de la masa de la mayoría de los organismos vivos se debe solo a 6 elementos: carbono, hidrogeno, oxigeno, nitrógeno, fósforo y azufre. El agua (H2O) es el compuesto mas común en los seres vivos, constituyendo mas del 70% de la masa de la mayoría de las células; el carbono es el elemento mas frecuente en los componentes sólidos de las células, así mismo, los átomos de carbono los podemos encontrar en una gran variedad de moléculas orgánicas, unidos entre si, o bien a otros átomos de otros elementos, por ejemplo, todas las proteínas contienen átomos de carbono, unidos con oxigeno y nitrógeno. Además, se han encontrado otros 23 elementos en diversos organismos vivos; 5 son iones que requieren todos los organismos: Ca2+, Cl¯, Mg2+, K+, y Na+. Los iones calcio son necesarios para la formación de huesos y dientes, así mismo, participan en la transmisión de señales en el sistema nervioso, como las que controlan la contracción de los músculos cardiacos, para lograr que lata el corazón. Muchos otros elementos, solamente se requieren en cantidades muy pequeñas, por lo que se les denomina, elementos trazas, por ejemplo, necesitamos cantidades diminutas de cobre en nuestra alimentación, para apoyar la síntesis de hemoglobina.

122

Energía de Ionización Se llama así a la energía necesaria para eliminar un electrón de un átomo, como ya se vio anteriormente, la propiedad química más característica de un átomo metálico es que fácilmente pierde electrones frente a otro átomo no metálico, o dicho de otra manera, es que los metales tienen energía de ionización relativamente baja, o lo que es lo mismo, se requiere una cantidad relativamente baja de energía para eliminar un electrón de un átomo metálico. La energía de ionización, es también llamada potencial de ionización, y se refiere a la energía que debemos de suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental, para arrancarle el electrón más débil retenido. Podemos expresarlo así:

X + 1ªE.I.

X+ + e-

Siendo esta energía la correspondiente a la primera ionización. La segunda energía de ionización representa la energía necesaria para arrancar un segundo electrón y su valor es siempre mayor que la primera, ya que el volumen de un ión positivo es menor que el del átomo neutro y la fuerza electrostática es mayor en el ión positivo que en el átomo, ya que se conserva la misma carga nuclear: X+ + 2ªE.I.

X2+ + e-

Puedes deducir tú mismo el significado de la tercera energía de ionización y de las posteriores. La energía de ionización se expresa en electrón-voltio, joules o en Kilo joules por mol (kJ/mol). 1 eV = 1,6.10-19 coulombs. 1 voltio = 1,6.10-19 joules En los elementos de una misma familia o grupo, la energía de ionización disminuye a medida que aumenta el número atómico, es decir, de arriba abajo. En los metales alcalinos, por ejemplo, el elemento de mayor potencial de ionización es el litio y el de menor el francio. Esto es fácil de explicar, ya que al descender en el grupo el último electrón se sitúa en orbitales cada vez más retirado del núcleo y, además, los electrones de las capas interiores ejercen un efecto de apantallamiento frente a la atracción nuclear sobre los electrones periféricos por lo que resulta más fácil extraerlos. En los elementos de un mismo periodo, la energía de ionización crece a medida que aumenta el número atómico, es decir, de izquierda a derecha. Esto se debe a que el electrón diferenciador está situado en el mismo nivel energético, mientras que la carga del núcleo aumenta, por lo que será mayor la fuerza de atracción y, por otro lado, el número de capas interiores no varía y el efecto de apantallamiento no aumenta. Sin embargo, el aumento no es continuo, pues en el caso del berilio y el nitrógeno se obtienen valores más altos que lo que podía esperarse por comparación con los otros elementos del mismo periodo. Este aumento se debe a la estabilidad que presentan las configuraciones s2 y s2p3, respectivamente. La energía de ionización más elevada corresponde a los gases nobles, ya que su configuración electrónica es la más estable, y por tanto habrá que proporcionar más energía para arrancar un electrón 123

Debemos recordar que los metales localizados en la parte inferior del grupo pierden electrones con más facilidad que los de la parte superior, lo que quiere decir que la energía de ionización va disminuyendo al bajar dentro de un grupo o familia.

La energía de ionización disminuye al bajar por el grupo

La energía necesaria para eliminar un electrón se reduce

Grupo

Al contrario de los metales, los no metales presentan energías de ionización elevadas por lo que tienden a ganar electrones, como los no metales están localizados al lado derecho de la tabla periódica, su energía de ionización tiende a aumentar de izquierda a derecha a lo largo de un mismo periodo de la tabla periódica.

La energía necesaria para eliminar un electrón aumenta

Periodo La energía de ionización por lo general aumenta a través de un periodo

124

En general, los elementos de la parte inferior izquierda de la tabla periódica presentan energía de ionización más baja, por lo que son los metales químicamente más activos; así mismo, los elementos que presentan energía de ionización más alta están localizados en la parte superior derecha de la tabla periódica y son los metales más químicamente activos. La energía de ionización para los elementos del sodio el argón se ilustran en la tabla siguiente, y se puede observar que la energía de ionización para un elemento aumenta conforme se van eliminando electrones sucesivos: I1 < I2 < I3, etc., esta tendencia es originada a que con cada eliminación sucesiva, estamos quitando un electrón a un ión cada vez más positivo, por lo que se necesita más energía.

Valores De Energía De Ionización

Elemento Na Mg Al Si P S Cl Ar

I1

I2

I3

496 738 578 786 1012 1000 1251 1521

4560 1450 1820 1580 1900 2250 2300 2670

7730 2750 3230 2910 3360 3820 3930

I4

I5

11600 4360 4960 4560 5160 5770

16100 6270 7010 6540 7240

I6

I7

22200 8500 27100 9460 11000 8780 12000

Todos los elementos presentan un aumento en su energía de ionización, conforme se eliminan electrones de su centro. Lo anterior nos indica de que solo los electrones más externos, los que están más alejados del centro intervienen al compartir y transferir electrones, lo que origina enlaces químicos. Los electrones internos se encuentran unidos con mucha fuerza al núcleo como para perderse del átomo, o siquiera compartirse con otro átomo. Hemos visto que la energía de ionización de un elemento se incrementa conforme se eliminan electrones sucesivos, pero ¿Qué tendencias presenta la energía de ionización mientras nos movemos de un elemento a otro de la tabla periódica? En general, los átomos de menos tamaño presentan energía de ionización elevada, la energía necesaria para quitar un electrón de la capa anterior depende tanto de la carga nuclear efectiva como de la distancia promedio entre el electrón en cuestión y su núcleo. Si aumenta la carga nuclear efectiva o disminuye la distancia al núcleo, ocasiona un aumento de atracción entre el electrón y su núcleo. Al aumentar esta atracción se dificulta mover ese electrón, por lo tanto aumenta su energía de ionización. Si nos movemos hacia la derecha en un periodo de la tabla, aumenta la carga nuclear efectiva y disminuye el radio atómico, lo que ocasiona un aumento en la energía de ionización. Sin embargo cuando descendemos por un grupo o

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familia el radio atómico aumenta, y la carga nuclear efectiva casi no sufre modificaciones, así la atracción entre núcleo y electrón se ve disminuida, por lo que la energía de ionización también disminuye.

Lectura: La química dental Si la química dental continua progresando a su velocidad actual, rápidamente veremos que las caries serán cosa del pasado; las caries son huecos que se producen en el esmalte de los dientes, el cual se encuentra compuesto por un mineral llamado hidroxiapatita Ca5(PO2)3OH. Estudios recientes han demostrado que el mineral dental se disuelve y se vuelve a formar constantemente en la saliva. La desmineralización es provocada principalmente por ácidos en la saliva, que forman las bacterias al digerir los alimentos. Durante las primeras etapas de la caries dental, parte de la superficie del diente se vuelve porosa y esponjosa y si se dejan sin tratamiento se transforman tarde o temprano en caries; sin embargo, investigaciones recientes indican que si el diente afectado, es bañado con una solución con cantidades adecuadas de Ca2+, PO43-, y F-, se puede remineralizar. Durante este proceso, el ión F- sustituye parte del OHpresente en el mineral original del diente, es decir parte del Ca5(PO4)3OH se transforma en Ca5(PO4)3F. En el futuro el área remineralizada es más resistente a las caries ya que el mineral fluorado es menos soluble que el esmalte dental original; además, se ha demostrado que la presencia de iones Sr2+ en el líquido remineralizante incrementa significativamente la resistencia a las caries. Si estos resultados resisten estudios posteriores, el trabajo de los dentistas cambiara drásticamente, ya que entonces estará orientado a prevenir los males dentales que a reparar daños ya producidos, probablemente se use un enjuague remineralizante que repare el esmalte dental antes de que se convierta en caries; los taladros dentales quedaran descartados como anacronismo medico ¡y los pacientes los extrañaran muy poco!

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Tamaño de los átomos Una de las características importantes de los átomos es su tamaño, comúnmente nos lo imaginamos como objetos de forma esférica y consistencia dura, pero sin embargo, en el modelo de la mecánica cuántica, los átomos no tienen fronteras bien definidas en las que la distribución electrónica se vuelve cero. Las orillas de los átomos son un poco borrosas, pero sin embrago existen varias maneras para definir el tamaño de un átomo. El radio atómico representa la distancia que existe entre el núcleo y la capa de valencia, por medio del radio atómico, es posible determinar el tamaño del átomo. Dependiendo del tipo de elemento, existen diferentes técnicas para su determinación, como son: la difracción de neutrones, de electrones o de rayos X. En cualquier caso, no es una propiedad fácil de medir ya que depende, entre otras cosas, de la especie química en la que se encuentre el elemento en cuestión. En los grupos, el radio atómico aumenta con el número atómico, es decir hacia abajo. En cambio, en los periodos disminuye al aumentar Z, hacia la derecha, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de los orbitales más externos, disminuyendo así la distancia núcleo-electrón. En la tabla periódica, podemos observar que los átomos aumentan su tamaño al bajar por los grupos y disminuyen al ir de izquierda a derecha a través de un periodo. El incremento en tamaño observado al descender por el grupo, se debe a que al incrementarse el nivel de energía principal así mismo también aumenta la distancia promedio del electrón con respecto al núcleo. Por lo que los átomos aumentan su tamaño conforme se van anexando electrones en los niveles de energía principales más altos.

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Como se menciono con anterioridad, los átomos disminuyen en el tamaño al moverse por un periodo de izquierda a derecha, ya que los átomos de estos elementos tienen sus electrones mas externos con un nivel de energía principal dado. Los anterior significa que lo átomos del periodo 1, tienen electrones externos en orbital 1s (nivel principal de energía 1), los átomos del periodo 2, presentan sus electrones más externos en el nivel de energía principal 2, lo que significaran los orbítales 2s y 2p; y así sucesivamente todos los periodos de la tabla. En base a lo anterior, podríamos esperar que todos los orbítales de un nivel de energía principal dado serian del mismo tamaño, también se espera, que los átomos de un periodo dado tengan el mismo tamaño. Sin embargo, debemos recordar que la cantidad de protones del núcleo incrementa al pasar de un átomo a otro en el periodo. El aumento de carga positiva en el núcleo origina una atracción mayor del núcleo hacia los electrones. Por lo que en lugar de permanecer del mismo tamaño a través de un periodo al sumarse electrones a un nivel de energía dado, los átomos se hacen de menor tamaño ya que la nube electrónica es atraída con mayor fuerza por la carga nuclear mayor. Si examinamos con atención la imagen anterior en la cual se muestran los tamaños de algunos átomos observamos dos tendencias interesantes 1. Dentro de cada grupo o familia (columnas) el tamaño atómico tiende a incrementarse conforme descendemos por la columna. Este es el resultado del aumento en el número cuántico principal (n) de los electrones externos. Al bajar por el grupo, lo que ocasiona un aumento en el tamaño del átomo. 2.

Dentro de cada periodo (filas) el tamaño del átomo va disminuyendo conforme nos desplazamos de izquierda a derecha. El factor principal que influye en esta característica es el aumento en la carga nuclear efectiva (Zef) al avanzar por el periodo. Al aumentar esta energía atrae a los electrones, incluyendo los exteriores, más cerca del núcleo, lo que ocasiona que se disminuya en tamaño atómico.

Los tamaños de los iones se basan en las distancias entre iones en los compuestos iónicos; al igual que el tamaño de un átomo, el tamaño de un ión depende de su carga nuclear, de la cantidad de electrones que presenta así como de los orbitales en los que se encuentran los electrones de la capa externa. La formación de un cation desocupa los orbítales mas externos en el espacio atómico y también reduce las repulsiones electrón-electrón totales. El resultado es que los cationes son más pequeños que sus átomos progenitores, como se observa en la figura respectiva. Lo contrario sucede con los iones negativos (aniones). Cuando se añaden electrones a un átomo neutro para formar un anion, el aumento en las repulsiones electrón-electrón hace que los electrones se extiendan más en el espacio. Por lo tanto, los aniones son más grandes que sus átomos progenitores.

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Por lo tanto, el radio iónico, es el radio que presenta un átomo cuando ha perdido o ganado electrones, adquiriendo la estructura electrónica del gas noble más cercano. Para esto debemos de considerar dos casos: cuando el elemento gana electrones, y cuando el elemento pierde electrones. Cuando un elemento acepta o gana electrones, el electrón ganado se ubica en los orbitales vacíos, transformando el átomo en un anión (ion con carga negativa). La ganancia de electrones por un átomo no metálico aislado es acompañada por un aumento de tamaño. Por ejemplo, los elementos del grupo de los halógenos, situados en el grupo 17, presentan una configuración electrónica en su último nivel, igual a ns2p5, por lo tanto pueden acercar un electrón a su último nivel para adquirir la configuración electrónica de un gas noble, ns2p6 con lo que el elemento adquiere estabilidad y se transforma en un anión. Al comparar el valor del radio atómico de cualquier elemento con el de su anión, éste es siempre mayor, debido a que la carga nuclear es constante en ambos casos, mientras que al aumentar el número de electrones en la capa mas externa, también aumenta la repulsión entre los mismos aumentando de tamaño el orbital correspondiente y por tanto también su radio iónico. Cuando un elemento cede o pierde electrones, usualmente se pierden los electrones de valencia y el elemento se transforma en un catión (ion con carga eléctrica positiva). La pérdida de electrones por un átomo metálico aislado implica una disminución de su tamaño. Por ejemplo, los metales alcalinotérreos (grupo 2) presentan una configuración electrónica en su último nivel igual a ns2. Cuando pierden estos dos electrones externos adquieren la configuración electrónica del gas noble que les precede en la tabla periódica, aumentando su estabilidad y trasformándose en un catión con dos cargas positivas. El valor del radio atómico del elemento es siempre mayor que el del 129

correspondiente catión, ya que éste ha perdido todos los electrones de su capa de valencia y su radio efectivo es ahora el del orbital n-1, que es menor. Podemos generalizar diciendo que los iones cargados negativamente (aniones) son siempre mayores que sus correspondientes átomos neutros, aumentando su tamaño con la carga negativa; los iones positivos (cationes), sin embargo, son siempre menores que los átomos de los que derivan, disminuyendo su tamaño al aumentar al carga positiva. Como ya se menciona con anterioridad, en iones de la misma carga, el tamaño aumenta al bajar por un grupo de la tabla periódica, esta tendencia se observa también en la figura mencionada, al aumentar el número cuántico principal del orbital ocupado mas exterior de un ión, aumenta el tamaño del ión. El efecto de una variación en la carga nuclear, sobre los radios iónicos se aprecia en una serie isoelectrónica de iones; esta nomenclatura implica que los iones poseen el mismo numero de electrones, por ejemplo, todos los iones de la serie O2¯, F¯, Na+, Mg2+ y Al3+ tienen 10 electrones; en esta serie, la carga nuclear aumenta continuamente en el orden dado, como el numero de electrones es constante, el radio del ión disminuye al aumentar la carga nuclear, porque los electrones son atraídos mas fuertemente hacia el núcleo La energía de ionización mide los cambios de energía asociados a la eliminación de electrones de un átomo para formar iones con carga positiva, por ejemplo, la energía de primera ionización de Cl(g) es de 1251 KJ/mol, es el cambio de energía asociado al siguiente proceso: Energía de ionización: Cl(g) → Cl+(g) + e- ΔЕ = 1251kJ/mol.

El valor positivo de la energía de ionización implica que se debe proporcionar energía al átomo para eliminar el electrón. Por otro parte, la mayoría de los átomos, pueden ganar electrones para formar aniones, el cambio de energía que sucede cuando se agrega un electrón a un átomo gaseoso, se denomina afinidad electrónica, ya que mide la atracción o afinidad del átomo por el electrón añadido. En casi todos los casos, se libera energía cuando se agrega un electrón; por ejemplo, la adición de un electrón a un átomo de cloro va acompañada por un cambio de energía de –349 kJ/mol, donde el signo negativo nos indica que se libera energía durante el proceso; por lo tanto, se dice que la afinidad electrónica del cloro es de –349 kJ/mol. Afinidad electrónica: Cl(g) + e- → Cl-(g)

ΔЕ = –349kJ/mol

Es de suma importancia comprender las diferencias entre energía de ionización y la afinidad electrónica: la energía de ionización, mide la facilidad con que un átomo pierde un electrón; mientras que la afinidad electrónica mide la facilidad con que un átomo gana un electrón. Cuanto más grande sea la atracción entre un átomo dado, y un electrón añadido, mas negativa será la afinidad electrónica del átomo; para algunos elementos, por ejemplo, los gases nobles, la afinidad electrónica presenta un valor positivo, lo que implica que el anion tiene más alta energía que el átomo y el electrón separados Ar(g) + e- → Ar¯(g) ΔЕ > 0 Puesto que ΔЕ > 0, el ión Ar¯ es inestable y no se forma. En la siguiente figura se muestra las afinidades electrónicas de los elementos representativos de 5 grupos de la tabla periódica, de manera general, la afinidad electrónica se vuelve mas negativa conforme se avanza por las filas hacia los halógenos, este grupo de elementos, a los cuales solo les falta un electrón para tener una subcapa “p” llena, tienen las afinidades electrónicas mas negativas, al ganar un electrón un 130

átomo de halógeno forma un ión negativo estable, que tiene la configuración de un gas noble. La adición de un electrón a un gas noble, requiere en cambio, que el electrón residiera en una nueva subcapa de mayor energía. La ocupación de una subcapa de más alta energía no es favorable desde el punto de vista energético, así que la afinidad electrónica es muy positiva. Las afinidades electrónicas del berilio y magnesio son positivas por la misma razón, el electrón adicional requiere de una subcapa “p” que antes estaba vacía y que tiene mayor energía Afinidades electrónicas de algunos grupos de elementos H -73 Li -60 Na -53 K -48 Rb -47 Grupo 1

Be >0 Mg >0 Ca -2 Sr -5

B -27 Al-43

grupo 2

grupo 13

Ga -30 In -30

C -122 Si -134 Ge -119 Sn -107 grupo 14

N >0 P -72 As -78 Sb -103 grupo 15

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O -141 S -200 Se -195 Te -190 grupo 16

F -328 Cl -349 Br -325 I -295 grupo 17

He >0 Ne >0 Ar >0 Kr >0 Xe >0 grupo 18

Lectura: La importancia del tamaño de los iones. El tamaño iónico desempeña un papel preponderante en la determinación de las propiedades de los iones en disolución, por ejemplo, una pequeña diferencia en el tamaño iónico suele bastar para que un ión de un metal tenga importancia biológica y otro no; por ejemplo el ión zinc (Zn2+) con respecto al ión cadmio (Cd2+), como ya se menciono con anterioridad sabemos que el ser humano requiere de pequeñas cantidades de zinc en nuestra alimentación, este elemento es un componente fundamental de varias enzimas proteicas, las cuales regulan la velocidad de reacciones biológicas. Por ejemplo la enzima anhidrasa carbónica, la cual se encuentra en los glóbulos rojos de la sangre y se encarga de facilitar la reacción entre el bióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O), para formar el ión bicarbonato (HCO3): CO2(ac) + H2O(l) → HCO3¯(ac) + H+(ac) Parece extraño que nuestro cuerpo requiera de una enzima para una reacción tan sencilla, pero sin embargo, en ausencia de la anhidrasa carbónica, el CO2 producido en las células, cuando estas se encuentran oxidando glucosa durante un ejercicio vigoroso, se eliminaría muy lentamente. Casi el 20% del CO2 producido por el metabolismo celular, se une a la hemoglobina, y es transportado hasta los pulmones donde es expulsado. Aproximadamente el 70% del CO2 producido, se convierte en ión bicarbonato por la acción de la enzima, difundiéndose hacia la sangre donde es transportado a los pulmones, lugar donde tiene lugar la reacción inversa de la ecuación química anterior. El zinc, se encuentra también presente en algunas otras enzimas, varias se localizan en el hígado y los riñones, por lo que, es obvio que se trata de un elemento indispensable para el ser humano. En contraste, el cadmio, elemento vecino del zinc en la tabla periódica, en el grupo 12, es extremadamente toxico para el hombre, ¿Por qué son tan distintos los dos elementos?, si los dos son iones 2+ pero el Zn2+ es mas pequeño que el Cd2+. El radio del Zn2+ es de 0.74Ǻ, y el del Cd2+, 0.95Ǻ. ¿Esta diferencia podría ser la causa, de que presenten propiedades biológicas diametralmente opuestas?, la respuesta es que, si bien el tamaño no es el único factor, si es sumamente importante. En la anhidrasa carbónica, el ión Zn2+ esta unido de manera electrostática a varios átomos de la proteína, en cambio el ión Cd2+ se une a este mismo lugar con mas fuerza que el Zn2+ de modo que lo desplaza; sin embargo, cuando la enzima contiene Cd2+ en lugar de Zn2+, la reacción del CO2 con el agua no se facilita, algo aun mas grave, es que el Cd2+ inhibe reacciones indispensables para el funcionamiento de los riñones, además, el cadmio es un veneno acumulativo, por lo que la exposición crónica inclusive a niveles muy bajos durante tiempo prolongado, produce envenenamiento

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Actividad

1. ¿De que manera se encuentran ordenados los elementos en la tabla periódica? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 2. ¿A que se le conoce como energía de ionización? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ___________________ 3. ¿Al descender por un grupo de la tabla periódica que pasa con los átomos? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 4. Define el concepto de número atómico. _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 5. Menciona tres ejemplos de elementos del grupo alcalinotérreos. _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 6. Este tipo de elementos son muy estables. _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 7. ¿A que se le conoce cono afinidad electrónica? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 8. ¿Qué significa el que un elemento presente un valor positivo de la energía de ionización? _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 9. Primeros científicos que proponen el uso de una tabla periódica _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 10. ¿Las propiedades de los elementos están dadas de acuerdo a? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 11. Con tus palabras define el termino carga nuclear efectiva _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _____________________________________________________

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12. Define el concepto de átomo _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 13. ¿Qué es un ión? _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 14. ¿Qué nombre reciben los iones positivos? ________________________________________________________________ 15. ¿Qué nombre reciben los iones negativos? ________________________________________________________________ 16. ¿Conforme se van perdiendo electrones, como es la energía de ionización de los elementos? _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 17. Menciona cinco ejemplos de moléculas biatómicas _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 18. ¿Que nos muestra la formula estructural de un compuesto? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 19. ¿Como es la tendencia de los átomos metálicos con respecto a la formación de iones? _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 20. ¿Cuándo un no metal se reduce que pasa con su radio atómico? ________________________________________________________________ 21. ¿Porque al descender por un grupo de la tabla periódica el tamaño de los átomos se incrementa? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____

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Unidad IV Enlace Químico Un enlace químico es la unión entre los átomos de un compuesto. La unión o enlace entre los átomos tiene su origen en la estructura electrónica de éstos, la actividad química de los elementos radica en su tendencia a adquirir, mediante su unión con otros átomos, la configuración de un gas noble (ocho electrones en la capa más externa, salvo el helio que sólo tiene dos), que son muy estables. Es común distinguir tres tipos principales de enlaces químicos: iónico, covalente y metálico; de los cuales se hablará más ampliamente después. Aunque dichos enlaces tienen propiedades bien definidas, la clasificación no es rigurosa, existiendo una transición gradual de uno a otro, lo que permite considerar tipos de enlace intermedios, gracias a estos enlaces se forman los compuestos químicos, por ejemplo, la sal. La sal común es una sustancia bien conocida, es utilizada para conservar y aderezar alimentos; así mismo, nuestra sangre posee casi la misma proporción de sal, que el agua del mar y, es fundamental para mantener muchas de nuestras funciones vitales. Está formada por un no metal, el cloro, y un metal alcalino, el sodio, estos elementos en estado puro, son extremadamente peligrosos para el hombre, sin embargo, juntas forman una sustancia, la sal común, que es inocua en pequeñas cantidades. Se dice por tanto que han formado un compuesto químico, una sustancia muy diferente de los elementos que la componen.

Muchas de las sustancias que conocemos están formadas por uniones de distintos elementos, el azúcar, por ejemplo, está conformada por los elementos: oxígeno, hidrógeno y carbono. Estos átomos que pierden o ganan electrones para unirse se transforman en iones, es decir, átomos con carga eléctrica. Estos iones, se unen para formar compuestos químicos, y la forma de unirse entre ellos se denomina enlace químico. Los enlaces químicos se definen como la fuerza que mantiene unidos a un grupo de dos o más átomos, y hace que funcionen como unidad. Los estados de agregación de la materia, sólido, líquido y gas, dependen de estas fuerzas de enlace las cuales determinan también la forma física de las moléculas. En condiciones terrestres, la mayor parte de los elementos rara vez existen como átomos aislados. El estado más generalizado es el de átomos enlazados, por ejemplo: el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y los elementos del grupo de los halógenos, son moléculas biatómicas; el azufre amarillo y el fósforo blanco existen como moléculas cuyas fórmulas son S8 y P4 respectivamente; el carbono, en forma de diamante y grafito, así como el fósforo rojo, son macromoléculas compuestas por muchos átomos enlazados en una red. La mayoría de los elementos metálicos, tales como el cobre y el potasio, están formados por innumerables átomos enlazados entre sí. Los gases nobles como el helio y el argón, existen

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como átomos sin enlazar. A temperaturas superiores a 5000 °C, la mayor parte de la materia está en un estado gaseoso monoatómico. Las moléculas, son agrupaciones estables de átomos unidos por un tipo de enlace químico que se denomina enlace covalente. Además de éste enlace entre átomos, las moléculas pueden unirse entre sí y organizarse en forma cristalina en el estado sólido, y las podemos representar por medio de fórmulas químicas y mediante modelos. Cuando dos o más átomos ya sean iguales o diferentes, se unen entre sí formando una agrupación estable, dan lugar a una molécula. Así, por ejemplo, los gases hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) están constituidos por moléculas biatómicas (dos átomos), en las cuales, los dos átomos componentes son esencialmente iguales; el agua se encuentra formada por moléculas que se producen por la unión de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O); en el gas metano (CH4) cuatro átomos de hidrógeno se enlazan con uno de carbono para formar la correspondiente molécula. Cada molécula de una sustancia compuesta constituye la porción más pequeña de materia que conserva las propiedades químicas de dicha sustancia. O en otros términos, las sustancias compuestas puras pueden ser consideradas como conjuntos de moléculas iguales. Cualquier proceso observable en o entre sustancias químicas puede interpretarse desde el punto de vista de lo que les sucede a sus átomos, a sus iones o a sus moléculas. Este fue el planteamiento mantenido por primera vez por Dalton, que supuso una nueva orientación de la química y dio lugar, como uno de sus frutos, a la confección de la primera tabla de masas atómicas. Ya sea, que la materia esté compuesta de átomos no enlazados (como en los gases nobles), moléculas (como en el agua) u otros agregados de átomos cargados eléctricamente (como en la sal común), por simplicidad, llamaremos genéricamente a cualquiera de estas partículas constituyentes de la materia como entidades. Ya sabes que la materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. En un gas la densidad es muy baja, comparada con la de un líquido o un sólido, también, los gases son compresibles, mientras que los otros estados no lo son. Estas propiedades se pueden explicar porque las entidades que forman el gas están muy separadas unas de las otras y tienen más movilidad que en los otros estados; es decir, en líquidos y sólidos la distancia entre las entidades es menor, lo mismo que la movilidad Por ejemplo, en el agua la unidad fundamental es la molécula H–O–H, que se mantiene junto por dos enlaces O–H. Podemos obtener información con respecto a la fuerza del enlace, midiendo la energía necesaria para romperlo, o sea la energía de enlace. La formación de enlaces libera energía, por otro lado la ruptura de enlaces requiere de energía. Todos los elementos conocidos presentan diferente estructura electrónica, diferente cantidad de energía por lo que la variedad de uniones químicas posibles es enorme. Si la temperatura de fusión es aquélla a la cual un sólido pasa al estado líquido, podemos suponer que la mayor o menor temperatura de fusión de un sólido, es un reflejo de la intensidad de las fuerzas de atracción entre las entidades que lo forman. Es decir, un alto punto de fusión nos sugiere que las entidades que conforman esa sustancia se encuentran unidas por interacciones muy fuertes.

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Estado de agregación Sólidos con temperatura de fusión alta

Compuestos · · · ·

Cloruro de sodio (NaCl) Diamante [C (diamante)] Hidroxiapatita, [Ca5(PO4)3OH] Hierro (Fe)

Punto de fusión (0C) 800 3550 1600 1528

Esto puede asociarse con la posibilidad de que cada una de las entidades que constituye al sólido se encuentre unida con la misma intensidad a cada una de las entidades vecinas, y éstas a su vez, se encuentren unidas con la misma intensidad a cada una de sus vecinas, formando una red tridimensional muy rígida, a la que hay que aplicar mucha energía para romper. A este tipo de interacciones se les llama “multidireccionales” En los sólidos con temperatura de fusión alta, las interacciones entre las entidades que los constituyen son multidireccionales. Cuando hay interacciones de este tipo, las sustancias “no” se presentan como líquidos o gases, ya que se forma una red infinita de entidades fuertemente unidas entre sí.

¿Cómo se combinan los átomos y cuáles son las fuerzas que los unen? Estas preguntas son fundamentales en el estudio de la química, pues como sabemos, los cambios químicos son esencialmente una alteración de los enlaces químicos. De los tres tipos de fuerzas de atracción: gravitacional, magnética y electrostática, sólo la electrostática es lo suficientemente intensa como para justificar las energías de enlace observadas. Una de las claves de la comprensión de la fuerza del enlace químico, fue el descubrimiento de los gases nobles y de su comportamiento químico relativamente inerte. Se sugirió que los átomos interactúan cambiando el número de electrones de tal forma que adquieren la estructura electrónica de un gas noble. Con excepción del helio, que tiene una configuración 1s2, cada gas noble tiene ocho electrones con una distribución s2p6 en su nivel energético más elevado. La necesidad de ocho electrones proporciona la denominación de regla del octeto a este concepto. No obstante, hay muchas excepciones a esta regla (existen elementos que no completan su octeto mientras que otros exceden su octeto) y hasta se han logrado sintetizar algunos compuestos de los gases nobles. Ante la diversidad de elementos químicos existentes en la naturaleza, cabe preguntarse, cuál es la razón por la que unos átomos se reúnen formando una molécula y otros no; o de otra manera, por qué no toda molécula o agrupación de átomos imaginable tiene existencia real. Una primera respuesta puede hallarse en la tendencia observada en todo sistema físico a alcanzar una condición de mínima energía. Aquella agrupación de átomos que consiga reducir la energía del conjunto dará lugar a una molécula, definiendo una forma de enlace químico que recibe el nombre de enlace covalente. Junto con esa idea general de

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configuración de energía mínima, otros intentos de explicación de este tipo de enlace entre átomos han sido planteados recurriendo a las características fisicoquímicas de las estructuras electrónicas de los átomos componentes. Existen tres tipos generales de enlaces químicos, los cuales resultan de interacciones electrostáticas: iónicos, covalentes y metálicos. El termino enlace iónico, se refiere a las fuerzas electroestáticas que existen entre iones de carga opuesta; los iones podrían formarse a partir de átomos por la transferencia de electrones. Las sustancias iónicas por lo general son el resultado de la interacción entre metales del extremo izquierdo de la tabla periódica, con elementos no metales del extremo derecho de la tabla. El enlace iónico, se produce cuando dos elementos diferentes chocan sus estructuras e intercambian electrones, el elemento mas electropositivo pierde electrones convirtiéndose en un ión con carga positiva (catión), por otra parte, el elemento más electronegativo gana los electrones que requiere para completar el octeto, transformándose así en un ión de carga negativa (anión). Cuando los átomos reaccionan por transferencia electrónica, el número de electrones ganados y perdidos debe coincidir, el compuesto resultante es neutro. Como ejemplo podemos tener el compuesto cloruro de mas conocido como sal de mesa; el sodio esta grupo 1 de la tabla periódica, tiene un electrón en su electrónica externa, el cloro ubicado en el grupo 7, configuración electrónica externa de 7 electrones.

sodio (NaCl) o localizado en el configuraron presenta en su

Al llevarse a cabo la unión de estos elementos, podemos decir que el sodio (Na) cede un electrón, convirtiéndose en un catión (Na+) y el cloro (Cl) acepta ese electrón, convirtiéndose en un anión (Cl-). Este compuesto sólido resultante es muy resistente, tiene un punto de fusión aproximadamente de 800ºC. La gran fuerza del enlace en el cloruro de sodio es debido a las atracciones de iones de carga contraria pues están muy cercanas entre si. Cuando un átomo pierde electrones con relativa facilidad reacciona con otro que presenta alta afinidad electrónica se forman sustancias iónicas, lo que significa que la formación de un compuesto iónico se debe a la reacción entre un metal y un no metal.

Metal

+

No metal

M

+

X

Compuesto iónico M+, X-

e-

Podemos representarlo por medio del diagrama de orbital-punto, en donde se muestra el traslape de los orbítales incompletos, y lo que pasa en el momento del enlace.

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También podemos representarlo de la siguiente manera: Na

Cl

Los electrones sin par de cada átomo, forman un par electrónico completando el orbital y el octeto. Además de la transferencia de electrones, intervienen varios factores en la formación de un enlace iónico, tales como, la energía de ionización, afinidad electrónica, fuerzas electroestáticas, radio atómico, y la electronegatividad. Una de las características más importantes de los compuestos iónicos, es su capacidad para conducir la corriente eléctrica cuando se encuentran en estado líquido: conductores de segunda especie. Cuando se encuentran en estado sólido, no son conductores de la electricidad, ya que los iones solamente vibran en sus posiciones de equilibrio. Los compuestos iónicos presentan generalmente puntos de fusión y ebullición superiores a los 500 °C. Esta propiedad, es consecuencia de la gran cantidad de energía calórica que se debe suministrar para contrarrestar la gran intensidad de las fuerzas de atracción interiónicas. Generalmente, los compuestos iónicos presentan formas cristalinas y son quebradizos, además, se encuentran formados por un sinnúmero de iones positivos y negativos; es decir no existen las moléculas en las sustancias iónicas sólidas.

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Lectura: Recubrimientos milagrosos Imagina un par de lentes para el sol de plástico que aunque se nos caigan sobre el cemento o se tallen con una lija sean resistentes a las raspaduras. La investigación pronto hará posible fabricar este tipo de anteojos, así mismo, se podrán elaborar herramientas usadas para cortar, las cuales nunca necesitaran de afilarse de nuevo, también tendremos vidrio especial para los parabrisas de los carros, edificios resistentes a las raspaduras de arena que el viento arrastra y bocinas que reproduzcan el sonido con una claridad inimaginable. El secreto de todas estas maravillas es un delgado recubrimiento de diamante; el diamante es tan duro que prácticamente nada puede rasparlo, un delgado recubrimiento de diamante sobre el cono de las bocinas limita la resonancia y produce un tono notablemente puro. Pero ¿Cómo se recubre algo con diamante? Es casi imposible fundirlo, ya que alcanza su punto de fusión a los 3,500 ºC y aunque se lograse fundirlo, el objeto a cubrir se derretiría de inmediato a esa temperatura. Sorprendentemente es posible aplicar un recubrimiento de diamante con bastante facilidad a lago tan frágil como el plástico, primero se baña la superficie con una mezcla de metano gaseoso (CH4) e hidrogeno (H2); a continuación el metano se descompone en los elementos que lo constituyen por medio de una fuente de energía muy parecida a la de los hornos de microondas. Los átomos de carbono liberados del metano forman a continuación un delgado recubrimiento de diamante sobre la superficie a tratar. El recubrimiento de materiales suaves y fáciles de rayar, con la capa superdura de diamante mejorará diversos productos para el consumidor en un futuro cercano

Estructura de Lewis Mientras los químicos creían que los átomos eran esferas rígidas, fue posible admitir que cada átomo tuviera algo parecido a uno o más ganchos, que le permitieran unirse a otros átomos para formar moléculas. Al aceptarse el modelo atómico de un núcleo provisto de corteza electrónica, se extendió la idea entre la comunidad científica, de que los electrones son los intermediarios en el enlace químico. Al parecer, fue el alemán Richard Abegg (1869-1910) el primer investigador que llamó la atención sobre el hecho de que la valencia química, debía estar relacionada con lo que actualmente se denomina configuración electrónica. Este científico propone en 1904 que un elemento puede variar únicamente en ocho unidades su valencia, pero Abegg murió en un accidente de globo y no vivió para ver como fueron desarrolladas posteriormente sus ideas, por una serie de químicos como Kossel y Lewis.; ya en 1916 su compatriota Albrecht Kossel (1853-1921) introdujo el concepto de la electrovalencia por transferencia de electrones de un átomo a otro para formar iones con estructura de gas noble. En este mismo año, 1916, el norteamericano Gilbert Newton Lewis (1875-1946) estableció la teoría del enlace químico al estar compartiendo de pares de electrones. Lewis no ideó el concepto de enlace covalente, que fue descrito por el también norteamericano Irving Langmuir (1881-1957) al introducir dicho término para describir el enlace o unión por los electrones apareados o compartidos, que según Lewis era lo esencial del enlace para obtener la estructura de gas noble, por lo tanto, se puede afirmar que la teoría del enlace covalente se debe a Lewis y Langmuir; pronto se aplicó en la química orgánica, reemplazando las líneas de las fórmulas de Kekulé por un par de electrones compartidos. Posteriormente, el inglés Nevil Vincent Sidgwick (1873-1952) amplió el concepto de covalencia a los compuestos inorgánicos, introduciendo la 140

noción de enlace covalente coordinado, la cual jugó un importante papel en la química de los compuestos complejos o de coordinación. En los enlaces entre átomos, solo participan los electrones del último nivel de energía o electrones de valencia, los cuales se transfieren cuando los elementos metálicos y no metálicos reaccionan para formar un compuesto iónico. El modelo de estructura de Lewis es la representación de una molécula en la que se muestran los electrones de valencia y como se encuentran ordenados entre los átomos de ese compuesto. Este modelo para representar la unión de átomos fue propuesto por Gilbert Newton Lewis, quien sugirió una forma sencilla para seguirles la pista a los electrones de valencia de los átomos, durante la formación de enlaces, advirtió que el enlace químico entre átomos no podía explicarse como debido a un intercambio de electrones. Dos átomos iguales intercambiando electrones no alterarían sus configuraciones electrónicas; las ideas válidas para el enlace iónico no eran útiles para explicar de una forma general el enlace entre átomos. Sugirió entonces, que este tipo de enlace químico se formaba al compartir uno o más pares de electrones o pares de enlace, por este procedimiento, los átomos enlazados alcanzaban la configuración electrónica de los gases nobles; este tipo de configuración de capas completas se corresponde con las condiciones de mínima energía o máxima estabilidad características de la situación de enlace; por lo que para su representación usamos lo que conocemos como símbolos de electrón-punto de Lewis (símbolo de Lewis). El símbolo de Lewis para un elemento se trata simplemente del símbolo químico del elemento en cuestión, mas un punto por cada electrón de valencia. Por ejemplo, el elemento azufre presenta una configuración electrónica 3s23p4, por lo que su símbolo de Lewis muestra seis electrones de valencia: S Los puntos se disponen alrededor del símbolo químico: arriba, debajo, izquierda, derecha; cada lado puede tener hasta dos electrones y los cuatro lados son equivalentes; la colocación de los electrones de un lado o de otro es arbitraria. Las reglas para escribir las estructuras de Lewis están basadas en las observaciones de que en las moléculas el requerimiento mas importante para que se forme un compuesto estable, es que los átomos adquieran configuración electrónica de gas noble. Símbolos de Lewis

Elemento

Configuración

Símbolo

Electrónica

Lewis

Elemento

Configuración

Símbolo

Electrónica

Lewis

Li

[He] 2s1

LI

Na

[He] 3s1

Na

Be

[He] 2s2

Be

Mg

[He] 3s2

Mg

B

[He] 2s22p1

Al

[He] 3s23p1

B

Al

141

C

[He]2s22p2

C

Si

[He] 3s23p2

Si

N

[He] 2s22p3

N

P

[He] 3s23p3

P

O

[He] 2s22p4

O

S

[He] 3s23p4

S

F

[He] 2s22p5

F

Cl

[He] 3s23p5

Cl

Ne

[He] 2s22p6

Ne

Ar

[He] 3s23p6

Ar

Regla del Octeto Con frecuencia los átomos ganan o comparten electrones, tratando del alcanzar la configuración electrónica de los gases nobles (8 electrones de valencia) mas cercanos a ellos en la tabla periódica. Los gases nobles presentan acomodo de electrones muy estables, debido a su alta energía de ionización, su baja afinidad por electrones adicionales y su falta general de reactividad química. La teoría de Lewis, conocida también como teoría del octeto por ser éste el número de electrones externos característicos de los gases nobles, puede explicar, por ejemplo, a la formación de la molécula de yodo (I2):

Ambos átomos, que al ser considerados individualmente, presentan siete electrones en su capa externa, al formar la molécula de yodo, pasan a tener ocho electrones cada uno, al estar compartiendo un par de electrones. Existen moléculas cuya formación exige compartir más de un par de electrones. En tal caso, se forma un enlace covalente múltiple. Tal es el caso de la molécula de oxígeno O2, la cual comparte dos pares de electrones, es decir se comparte un enlace doble

En la molécula de nitrógeno N2 sucede algo semejante, sólo que en este caso se han de compartir tres pares de electrones para alcanzar el octeto, con la formación consiguiente de un enlace triple Esta

explicación

puede

extenderse 142

al

caso

de

las

moléculas formadas por átomos de elementos no metálicos diferentes entre sí, tales como HCl, NH3, H2O o CO2 por ejemplo:

Con excepción del Helio, todos los gases nobles (grupo 18) contienen ocho electrones de valencia, muchos átomos que sufren reacciones, también terminan con ocho electrones de valencia. Lo anterior ha originado lo que se conoce como la regla del octeto que dice: los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeados por ocho electrones de valencia. El octeto de electrones consiste en las subcapas S y P de un átomo lleno de electrones; en términos de la simbología de Lewis, un octeto lo podemos observar como cuatro pares de electrones (8 electrones) de valencia distribuidos alrededor del átomo. Como todo modelo, las estructuras de Lewis y la regla del octeto, son solamente una herramienta que permite proponer la estructura de los compuestos, sin embargo, la naturaleza es complicada y no siempre se cumplen las reglas inventadas para simplificarla. Hay compuestos que no satisfacen la regla del octeto ni ninguna otra regla, entre estos se encuentran por ejemplo, el monóxido de nitrógeno (NO), el cual es un gas que se obtiene como subproducto de la combustión de la gasolina en los automóviles y es considerado uno de los contaminantes más importantes de la atmósfera, tiene 11 electrones de valencia, dado que la regla del octeto demanda que los electrones se acomoden por parejas, al tener un número impar de electrones de valencia, este compuesto no puede satisfacerla. Existen compuestos estables que tienen como átomo central a uno con menos de ocho electrones, tal es el caso de algunos compuestos de boro, como el trifloruro de boro. El boro tiene tres electrones de valencia, que al compartirse con los electrones del flúor completa seis electrones a su alrededor.

Trifluoruro de boro (BF3)

Podríamos escribir la estructura del BF3 con un enlace doble entre un flúor y el átomo de boro. De esta forma tanto el boro como los tres átomos de flúor cumplirían la regla del octeto, sin embargo, la evidencia

143

experimental indica que los enlaces entre el boro y el flúor son sencillos. Aquí es importante resaltar que la evidencia experimental es más importante que lo que se pueda predecir con la teoría, así, el experimento indica que el compuesto BF3 se tiene que tratar como un compuesto que no satisface la regla del octeto. La regla del octeto no se cumple en una gran cantidad de compuestos, como en aquéllos en los que participan el boro o el berilio a los que se les llama compuestos deficientes de electrones, porque tienen menos electrones de valencia que un octeto. Existen otros compuestos moleculares en los cuales alguno o algunos de sus átomos presentan más de ocho electrones a su alrededor. El fósforo y el azufre son dos ejemplos, el fósforo tiene cinco electrones de valencia y el azufre seis, cuando se combinan con algún elemento de la familia de los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) pueden compartir diez, por ejemplo, el pentacloruro de fósforo (PCl5), y hasta doce electrones como en el caso del hexafluoruro de azufre (SF6), que se muestran en la siguiente figura, a esta situación se le conoce como expansión del octeto.

Pentacloruro de fósforo

hexafluoruro de azufre

144

Actividad

1. Indique la estructura de Lewis para cada uno de los siguientes casos:

a)

H2O

d) NO2-

g) NH3

j) NF3

b)

CO2

e) HF

h) CH4

k) SO2

c)

CN-

f) N2

i) CF4

l) H2S

2. Describe la regla del octeto ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 3. ¿Que tipo de electrones participan en un enlace químico? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ __________________________________ 4. ¿Qué es un enlace químico? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ______ 5. Menciona las tres tipos de enlace químico ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ __________________________________ 6. ¿En que tipo de compuestos no se cumple la regla del octeto? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ __________________________________ 7. ¿Por que a los materiales que presentan una estructura de tipo multidireccional son muy duros? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ ____________________

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8. ¿Menciona una de las características más importantes de los compuestos iónicos? ____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________ __________________________________ 9. ¿Que nombre recibe el elemento que cede un electrón? ____________________________________________________________________________ ________________________________________________ 10. ¿Cuál es el factor determinante en la conformación física de las moléculas? ____________________________________________________________________________ ________________________________________________ 11. Este científico fue el primero en proponer que la valencia química se encontraba relacionada con lo que hoy conocemos como configuración electrónica ____________________________________________________________________________ ________________________________________________

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Enlace Covalente

Como ya se menciono anteriormente, Lewis expuso la teoría de que todos los elementos presentan la tendencia a conseguir configuración electrónica de gas noble (8 electrones en el último nivel de energía). Los elementos ubicados a la derecha de la tabla periódica, es decir los no metales, logran dicha configuración por captura de electrones; los elementos ubicados a la izquierda y en el centro de la tabla periódica, es decir los metales, la consiguen al perder electrones. De esta forma la combinación de un metal con un no metal, se realiza por medio de un enlace iónico; pero la combinación de no metales entre sí, no puede tener lugar mediante este proceso de transferencia de electrones; por lo que Lewis supuso que debían compartirlos. Es posible también la formación de enlaces múltiples, o sea, el compartir más de un par de electrones, por una pareja de átomos. En otros casos, el par compartido es cedido por sólo uno de los átomos, formándose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo; se han encontrado compuestos covalentes en donde no se cumple la regla, por ejemplo, en el tricloruro de boro (BCl3), en este compuesto, el átomo de boro presenta seis electrones en la última capa de valencia; así mismo también el compuesto hexafluoruro de azufre (SF6), en donde el átomo de azufre consigue hasta doce electrones. Esto hace que actualmente se piense que lo característico del enlace covalente es la formación de pares electrónicos compartidos, independientemente de su número. A diferencia que sucede con los compuestos iónicos, en las sustancias covalentes existen moléculas individualizadas, entre éstas moléculas se dan fuerzas de cohesión también denominadas fuerzas de Van der Waals, las cuales debido a su debilidad, no pueden considerarse ya como fuerzas de enlace. Existen varios tipos de interacciones: fuerzas de orientación (aparecen entre moléculas con momento dipolar diferente), fuerzas de inducción (ión o dipolo permanente producen en una molécula apolar una separación de cargas por el fenómeno de inducción electrostática) y fuerzas de dispersión (aparecen en tres moléculas apolares). Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las sustancias covalentes son siempre bajos, esto debido a que la agitación térmica domina ya a temperaturas bajas, sobre las débiles fuerzas de cohesión. La mayor parte de las sustancias covalentes, a temperatura ambiente, son gases o líquidos de punto de ebullición bajo, por ejemplo el agua. En cuanto a la solubilidad, puede decirse que, en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes apolares y no lo son en disolventes polares. Se conocen algunos sólidos covalentes prácticamente infusibles e insolubles, que son excepción al comportamiento general descrito. Un ejemplo de ellos es el diamante, la gran estabilidad de estas redes cristalinas, se debe a que los átomos que las forman están unidos entre sí por medio de enlaces covalentes. Para deshacer la red es necesario romper estos enlaces, los cual consume enormes cantidades de energía Un enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. El enlace covalente ocurre cuando la diferencia de electronegatividad de los átomos que intervienen en la reacción, (ΔEN) es menor a 1.7; esto ocurre cuando se unen entre sí no metales, o bien la unión de no metales con hidrógeno. Los enlaces covalentes pueden clasificarse: ƒ ƒ ƒ

Enlace covalente simple Enlace covalente múltiple (doble o triple) Enlace covalente dativo o coordinado

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Enlace covalente simple: El ejemplo más simple de este tipo de situación es la combinación de dos átomos de hidrogeno (H), para formar una molécula de H2. Cada átomo de hidrogeno, necesita un electrón para ser isoelectrónico con el átomo de helio, (He), por lo que una transferencia de electrones no puede satisfacer los requerimientos de ambos átomos. En vez de esto, los dos átomos de hidrógeno comparten mutuamente sus electrones, el par compartido "pertenece" a ambos; se puede considerar que cada átomo de hidrógeno ha ganado un electrón y ha adquirido la estructura del helio.

Este mecanismo de electrones compartidos constituye lo que se denomina un enlace covalente, la presencia del cual se representa en las estructuras de Lewis mediante un guión, (H-H), o un par de puntos, (H:H). Una vez que se ha formado el enlace covalente, los dos electrones enlazantes son atraídos por los dos núcleos, en vez de uno, razón por la cual el estado enlazado es más estable que el no enlazado. Enlaces covalentes múltiples: Para satisfacer la regla del octeto y sus requerimientos de covalencia, es frecuente que dos átomos tengan que compartir más de un par de electrones, esto conduce al concepto de enlaces múltiples; si los pares compartidos son dos, se obtiene un enlace doble; si son tres es un enlace triple; por ejemplo: La molécula de oxígeno presenta un enlace doble, este elemento posee 6 electrones en su último nivel de energía, por pertenecer al grupo XVI, y para lograr los 8 electrones que exige la regla, cada átomo aporta 2 electrones al enlace, de modo que se comparten 4 electrones, es decir, 2 pares.

La molécula de nitrógeno presenta un enlace triple, éste elemento posee cinco electrones en su último nivel, ya que se trata de un elemento del grupo XV, y para lograr los ocho electrones que exige la regla, cada átomo aporta a la sociedad tres electrones, de modo que comparten seis, es decir, tres pares:

En general, dentro de un mismo grupo de la tabla periódica, la capacidad de formación de enlaces múltiples, manteniendo un octeto de electrones, disminuye al aumentar el tamaño del átomo. Con muy pocas excepciones, tales como el Azufre (S), sólo los átomos del segundo período, por ejemplo, carbono (C), nitrógeno (N) y oxigeno (O), pueden formar enlaces múltiples manteniendo ocho electrones El número de compuestos en los cuales el azufre forma enlaces múltiples es muy reducido, y esos enlaces son mucho más débiles que los análogos del oxígeno. Pasemos a considerar los efectos que pueden resultar en la estructura de las moléculas, la mayor o menor tendencia de sus átomos a la formación de enlaces múltiples. Compárense los óxidos de fórmulas empíricas CO2 y SiO2. Tanto el carbono como el silicio pueden compartir cuatro pares de electrones, pero los átomos de carbono forman enlaces múltiples en el CO2 (bióxido de carbono) y los del silicio del SiO2 (bióxido de silicio) son simples. Para el CO2 podemos escribir la estructura de Lewis

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Lo que corresponde a la fórmula molecular CO2 que es idéntica a la empírica. Ahora consideremos SiO2. En ausencia de enlaces múltiples, el silicio comparte cuatro pares de electrones

y el oxígeno comparte dos pares de electrones por lo que se satisface:

Si empezáramos a escribir una fórmula estructural que pudiera satisfacer los dos requerimientos de compartir electrones, tendríamos que escribir hasta el infinito: la estructura no tiene fin. El dióxido de silicio, componente de las rocas y de la arena, es en efecto una red tridimensional de átomos enlazados en el espacio denominada macromolécula, en la cual, no pueden identificarse moléculas individuales. Por consiguiente "SiO2" es una fórmula empírica (sólo indica la relación entre las cantidades de los átomos de Si y O) y no una molecular (en cuyo caso debería representar una partícula con la cantidad correcta de átomos de cada elemento). Enlaces covalentes coordinados o dativos: En las sustancias covalentes vistas con anterioridad, cada átomo que tomaba parte de la formación de una unión, contribuía al par compartido con un electrón; en ciertas circunstancias, ambos electrones son proporcionados por uno solo de los átomos. La unión resultante, se denomina covalencia coordinada dativa. Se indica en las estructuras de las moléculas con una flecha que se origina en el átomo que aporta los dos electrones al enlace. Esto es sólo a los efectos didácticos, ya que una vez establecido este enlace, es indistinguible con un enlace formado por el aporte de un electrón por cada átomo. Por ejemplo: en el caso de la molécula del SO2, cada uno de los átomos que intervienen posee 6 electrones externos. Para adquirir la configuración electrónica del gas noble más cercano, el azufre se une por un enlace covalente doble con uno de los átomos de oxigeno, ambos átomos han logrado el octeto, pero el segundo átomo de oxigeno, aún no se ha unido a los anteriores. Lo hace mediante una covalencia dativa del azufre, ya que de otra manera el azufre superaría los 8 electrones al compartir nuevos pares con el segundo oxigeno

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Es importante insistir en que la unión coordinada, así como la distinción entre electrones de átomos diferentes, es sólo un medio para lograr la estructura adecuada, pero una vez establecida la unión, es indistinguible de la unión covalente común y no le confiere a la molécula, propiedades diferenciales respecto de ésta. Resumiendo, un enlace covalente es el resultado de compartir electrones entre dos átomos, estos enlaces se forman al reaccionar elementos no metálicos con electronegatividad similar. Fue propuesto también por G.N. Lewis en 1916 quien observo que se podían formar moléculas del mismo elemento como O2, H2, Cl2, así como también de elementos de distintos, como HCl o el H2O. Cuando se juntan dos átomos del mismo elemento se da un interacción mutua entre los orbítales y sus núcleos, la nube electrónica forma un enlace con el núcleo el cual atrae fuertemente electrones de los orbítales parcialmente llenos, lo cual origina el enlace químico. Los átomos que se enlazan así presentan carga eléctrica neutra, ya que todos los electrones de ambos átomos participan en la interacción de los dos núcleos. Por lo que podemos decir que la unión química formada cuando dos átomos comparten electrones se llama enlace covalente.

Podemos representar la formación de enlaces covalentes usando símbolos de Lewis para mostrar los átomos constituyentes la formación de la molécula H2 a partir de dos átomos de hidrogeno, la podemos representar como sigue:

Como se puede observar cada uno de los átomos de hidrógeno adquiere su segundo electrón alcanzando así su configuración electrónica estable de gas noble (Helio). La formación del enlace covalente entre dos átomos de cloro para originar una molécula de Cl2 se representa en forma similar:

Cada átomo de cloro al estar compartiendo el par de electrones del enlace químico, adquiere ocho electrones de valencia alcanzando la configuración electrónica de gas noble, el argon.

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Como ya se menciono anteriormente, al escribir estructuras de Lewis se puede indicar con una línea cada par de electrones compartidos, y los pares de electrones no compartidos se dibujan como puntos, por lo que las estructuras de Lewis para H2 y Cl2 quedaran así:

Los enlaces covalentes pueden ser: simple cuando se forma solo un enlace, dobles cuando se comparten dos pares de electrones, triples cuando los átomos están compartiendo tres pares de electrones y cuádruple cuando comparten cuatro pares de electrones.

Enlace Metálico

En cualquier rama de la ciencia o de la ingeniería, nuestra capacidad para lograr avances va de la mano con nuestra comprensión de las propiedades fundamentales de los sistemas con los que trabajamos. Mencionaremos ahora las propiedades que distinguen a los metales para relacionar estas propiedades con un modelo de los enlaces metálicos. Los metales comparten ciertas similitudes que nos permiten clasificarlas como metálicas, una superficie metálica reciente tiene un lustre característico; además, los metales que podemos manipular con las manos desnudas producen una sensación fría característica relacionada con su elevada conductividad térmica. Los metales tienen también una alta conductividad eléctrica; la corriente eléctrica fluye fácilmente a través de ellos, el flujo de corriente se produce sin que haya desplazamiento de átomos dentro de la estructura metálica y se debe al flujo de electrones en el interior del metal; la conductividad térmica de un metal es por lo común paralela a su conductividad eléctrica, por ejemplo, la plata y el cobre, los cuales presentan las conductividades eléctricas más elevadas, también muestran las conductividades térmicas más altas. Esta observación sugiere que los dos tipos de conductividad tienen el mismo origen en los metales. Casi todos los metales son maleables, lo que significa que se pueden martillar para formar hojas delgadas, y dúctiles, es decir, se pueden estirar para formar alambres. Estas propiedades indican que los átomos son capaces de deslizarse unos respecto de los otros. Los sólidos iónicos o los cristales de la mayoría de los compuestos covalentes, no muestran este comportamiento, esta clase de sólidos son típicamente quebradizos y se fracturan con facilidad.

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Casi todos los metales forman estructuras sólidas en las cuales los átomos se encuentran dispersos como esferas empacadas de manera compacta, el número de electrones de la capa de valencia disponibles para la formación de enlaces es insuficiente para que un átomo forme un enlace de par electrónico con cada uno de sus vecinos. Para que cada átomo comparta sus electrones enlazantes con todos sus vecinos, estos electrones deben ser capaces de moverse de una región de enlace a otra. Un modelo muy sencillo que explica alguna de las características más importantes de los metales es el modelo denominado, mar de electrones. En este modelo, el metal se representa como un conjunto de cationes metálicos en un “mar” de electrones de valencia Los electrones deben estar confinados al metal por las atracciones electrostáticas hacia los cationes, y están distribuidos de manera uniforme en toda la estructura. Sin embargo, los electrones son móviles y ningún electrón en particular está confinado a un ión metálico específico, cuando un alambre metálico se conecta a los polos de una batería, los electrones fluyen a través del metal hacia el polo positivo y hacia el metal desde la batería en el polo negativo; la alta conductividad térmica de los metales también se explica por la movilidad de los electrones, la cuál permite transferir fácilmente la energía cinética por todo el sólido, la capacidad de deformación de los metales (maleabilidad y ductilidad) se puede explicar por el hecho de que los átomos metálicos se pueden mover sin que se rompan enlaces específicos, el material se adapta sin dificultad al cambio de posición de los átomos, producto de la nueva forma del metal, a través de una redistribución de los electrones. No obstante, el modelo de mar de electrones no explica de manera adecuada todas las propiedades y características de los metales; por ejemplo, según el modelo, la fuerza de los enlaces entre los átomos metálicos debería incrementarse a medida que aumenta el número de electrones de valencia, con el consecuente incremento en el punto de fusión, en cambio, los metales del grupo 6 (cromo, molibdeno, wolframio, seaborgio), los cuales se encuentran en el centro de los metales de transición, presentan los puntos de fusión más altos en sus períodos respectivos; los puntos de fusión a uno y otro lado del centro son más bajos, lo que implica que la fuerza de los enlaces metálicos aumenta primero al crecer el número de electrones y luego disminuye. Se observan tendencias similares en otras propiedades físicas de los metales, como el calor de fusión, la dureza y el punto de ebullición. Para explicar alguna de las propiedades físicas de los metales, necesitamos un modelo más refinado que el mar de electrones para describir los enlaces metálicos. Se obtiene un mejor modelo aplicando los conceptos de la teoría de bandas a los metales. En un átomo aislado, los electrones posiblemente se mueven en un campo eléctrico uniforme que tiene su centro en el núcleo. Los electrones ocupan entonces ciertos niveles de energía definidos, siendo los valores de la energía los mismos para todos los átomos aislados. Sin embargo, cuando los átomos integran un sólido cristalino, los electrones se encuentran en un campo eléctrico que no es uniforme, ya que varía periódicamente a través de toda la red. Resulta de ello que los niveles de energía electrónicos ya no están nítidamente definidos, sino que son reemplazados por bandas de niveles muy próximos que pueden ser ocupados por los electrones Dichas bandas, en general, están separadas por regiones de energía prohibidas, aunque en algunos casos se puede producir la superposición entre bandas.

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En un cristal metálico, las bandas más bajas están llenas, es decir, todos los orbitales están ocupados, pero la banda más elevada, llamada banda de conducción sólo está ocupada parcialmente por los electrones "libres". Al aplicarse al metal un potencial eléctrico los electrones de una banda llena no pueden ser transferidos a otros niveles, ya que en esta banda no existen niveles vacantes. Los electrones que se encuentran en las proximidades del borde superior de la banda parcialmente llena pueden pasar a los niveles no ocupados ligeramente superiores dentro de la misma banda. Pueden entonces moverse libremente de un átomo (o ión) a otro, haciéndose así posible la conducción eléctrica. Si las bandas electrónicas del sólido están completamente llenas, la sustancia es un material aislante, ya que no existen niveles no ocupados disponibles para los electrones. Este es el caso, por ejemplo, de numerosos sólidos no metálicos, como el carbono, silicio, azufre, fósforo, etc., en los cuales cada átomo tiene completo su octeto electrónico formando uniones covalentes con todos sus vecinos más cercanos En principio, un aislante podría convertirse en conductor si uno (o más) de los electrones de la banda más elevada pudiera ser expulsado, dejando así un nivel vacante en esta banda; al mismo tiempo, el electrón es llevado a una banda superior donde se dispone de muchos niveles vacantes. En general, se necesita una gran energía para provocar la transferencia aludida de un electrón de una banda a otra, pero en algunos pocos casos es suficiente la energía de un fotón de luz visible o de radiación ultravioleta. Las sustancias de este tipo, como son el selenio y el germanio, se denominan fotoconductores.

Los fotoconductores forman parte en realidad de un grupo más extenso de sustancias conocidas como semiconductores; las mismas son normalmente aisladores, pero pueden adquirir conductividad eléctrica, aunque en mucha menor escala que los metales, bajo ciertas circunstancias. En años recientes se ha despertado un considerable interés en sustancias para ser usadas como transistores, que son conductores debido a la presencia de una pequeña cantidad de impurezas. En los semiconductores, la banda de conducción electrones que ocasionalmente son promovidos a excitación de las bandas más bajas. La zona más estrecha que en el caso de los aislantes y, por constituye una barrera menos difícil para dicha Estos materiales presentan baja conductividad elevación de la temperatura excita a los electrones a conducción, este enriquecimiento aumenta la eléctrica en mayor grado que la disminución que aumento de vibración de los átomos; el resultado conductividad eléctrica de los semiconductores

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cuenta con ella por prohibida es consiguiente, promoción. eléctrica, una la banda de conductividad provoca el neto, es que la aumenta al

elevarse la temperatura. Como podemos ver en la figura siguiente, un conductor metálico disminuye su conductividad con la temperatura, es decir su resistencia se incrementa, un semiconductor aumenta su conductividad con la temperatura (disminuye su resistencia). Un superconductor es una sustancia cuya resistencia es cero (conductividad ∞) hasta cierta temperatura, luego su resistencia se hace alta, por lo tanto disminuye su conductividad.

Los enlaces de tipo metálico, los encontramos como su nombre lo indica con los metales como cobre, hierro, aluminio, etc. En los metales, cada átomo se encuentra unido a varios átomos vecinos; los electrones de enlace presentan relativa libertad para moverse dentro de toda la estructura tridimensional de metal. Los elementos metálicos por lo general los encontramos en forma de sólidos, presentan alta conductividad térmica y eléctrica, son maleables, dúctiles, y son lustrosos. Estos materiales presentan estructuras definidas cuyos conglomerados atómicos están unidos químicamente por los enlaces metálicos.

El enlace metálico se define como un enlace formado por iones positivos (cationes) del metal, sumergidos en una nube de electrones móviles o mar de electrones. En el modelo del mar de representamos al metal como de cationes metálicos en un electrones de valencia, los encuentran confinados al metal atracciones electroestáticas cationes, distribuidos por toda la estructura. Así electrones presentan que ninguno de ellos esta forma individual a determinado particular. La excelente térmica y eléctrica de los metales, está en relación con la movilidad de sus electrones, transfiera fácilmente la energía por todo el sólido.

electrones, una formación mar de electrones se a causa de hacia los uniformemente mismo, los movimiento ya confinado de ión metálico en conductividad la cual permite se

La maleabilidad y ductibilidad de los metales, se debe a que los átomos metálicos se encuentran formando enlaces con muchos átomos vecinos, la redistribución de los electrones permite que el metal se adapte a los cambios de posición de los átomos.

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Lectura: Cohetes luminosos El arte de usar mezclas de productos químicos para producir explosivos es muy antiguo, la pólvora, es una mezcla de nitrato de potasio, carbón y azufre, se utilizaba en China mucho antes del año 1,000 antes de Cristo y ha sido usada durante siglos, para explosivos militares, en la construcción y para cohetes luminosos. Antes del siglo XIX los cohetes luminosos se usaban solo para producir luces y efectos sonoros; los colores anaranjado y amarillo se deben a la presencia de carbono y limaduras de hierro. Sin embargo debido al gran avance de la química en el siglo XIX se comenzaron a usar nuevos compuestos con este fin. Las sales de cobre, estroncio y bario permitieron añadir colores brillantes; el magnesio y aluminio metálico produjeron una luz blanca y deslumbrante. De hecho la composición de los cohetes luminosos ha cambiado muy poco desde el siglo pasado ¿Cómo producen las luces de los cohetes, los colores brillantes y las explosiones sonoras? En realidad esto se debe a solo unos cuantos productos químicos que producen efectos espectaculares; para producir ruido y destellos se hace reaccionar un oxidante con algún metal como magnesio o aluminio mezclado con azufre, la reacción que resulta produce un destello brillante que se debe a que el aluminio o el magnesio se queman y el ruido o estallido se debe a la rápida expansión de los gases. Para obtener el efecto del color se incluye un elemento que se queme con flama coloreada. Los colores amarillos de los cohetes se deben al sodio, las sales de estroncio producen el color rojo, que se usa también para las luces de seguridad que se emplean en la carretera, las sales de bario producen un color amarillo. Aunque se podría pensar que la composición química de los cohetes luminosos es sencilla, para logar los destellos de color blanco vívido y los colores brillantes se requieren combinaciones muy complejas, por ejemplo, como los destellos blancos producen flamas de alta temperatura, los colores tienden a palidecer. Otro problema se debe al uso de sales de sodio el cual produce un color amarillo brillante, por lo que no debe de usarse cuando se desea observar otros colores. En resumen, para fabricar cohetes luminosos que produzcan los efectos deseados y también sean seguras de manejar, hay que elegir los productos químicos con sumo cuidado. Las mezclas químicas de los cohetes son muy peligrosas, no intentes experimentar con productos químicos de manera independiente.

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Electronegatividad y Polaridad de los Enlaces

Cuando dos átomos no metálicos diferentes, reaccionan entre si, se forma un enlace covalente polar, en el cual los electrones están compartidos de manera desigual, lo anterior es debido a la propiedad conocida como electronegatividad, la cual es la capacidad relativa de un átomo de una molécula para atraer hacia si, los electrones que se comparten. Los valores de electronegatividad de los elementos se pueden determinar midiendo la polaridad de los enlaces entre diversos átomos; por lo general, la electronegatividad aumenta de izquierda a derecha a través de los periodos de la tabla y, disminuye al bajar por los grupos; mientras mas alto sea el valor de la electronegatividad, mas cerca se encuentran los electrones compartidos del átomo cuando se forma el enlace La polaridad del enlace, depende de la diferencia de los valores de electronegatividad de los átomos que lo forman, si los átomos presentan valores de electronegatividad similares, los electrones estarán compartidos de manera semejante para ambos átomos por lo que el enlace presenta una baja polaridad. Por ejemplo, en la molécula del ácido fluorhídrico (HF), el átomo de flúor presenta valores altos de electronegatividad, por lo que los electrones se compartirán de manera desigual; el enlace es polar. Este tipo de enlace se forma cuando los átomos tienen diferentes niveles de electronegatividad, en el HF el átomo de flúor, al ser más electronegativo atrae la densidad electrónica alejándola del átomo de hidrogeno el cual es menos electronegativo; así que parte de la densidad electrónica que rodea al núcleo del hidrogeno se siente atraída al núcleo del flúor y ocasiona una carga parcialmente positiva en el átomo de hidrogeno y una carga parcialmente negativa en el átomo de flúor. Por lo tanto, una molécula de HF presenta un centro de carga positivo y otro negativo, se dice entonces que tiene un momento dipolo. La característica bipolar de la molécula, la podemos representar por medio de una flecha, donde la punta esta orientada al centro de carga negativa y la cola indicará el centro de carga positivo.

H

F

o también H

F

El hecho de que en una molécula los átomos enlazados no sean iguales, hace que el grado de comparación electrónica no sea el mismo para ambos. Cada elemento no metálico, presenta una tendencia diferente a captar electrones (electronegatividad). En una unión covalente, el átomo más electronegativo atraerá con mayor intensidad al par o pares de enlace y, esa nube electrónica compartida, se desplazará hacia dicho átomo alejándose del otro, por tal motivo, la distribución de carga en la molécula resulta de forma asimétrica y ésta, se convierte en un pequeño dipolo eléctrico con una región negativa y otra positiva. Esta circunstancia se hace tanto más patente cuanto mayor es la diferencia entre la electronegatividad de los átomos enlazados; se dice entonces, que el enlace covalente es polar, lo cual significa que se aproxima, en cierta medida, a un enlace de tipo iónico. Entre un enlace covalente puro (no polar) y un enlace iónico puro, existen formas intermedias en las que el enlace real participa de las características de ambos tipos extremos e ideales de enlace químico. 156

Las moléculas polares, se comportan de una forma parecida a como lo hacen los iones. La molécula de agua es un caso típico de molécula polar, en la cual, el carácter electronegativo del átomo de oxígeno, con respecto del hidrógeno, hace que los dos pares de electrones de enlace estén desplazados hacia su núcleo. De una forma aproximada se puede decir, que la mayor carga positiva del núcleo de oxígeno (Z = 8) respecto del de hidrógeno (Z = 1) atrae hacia sí, los pares de electrones compartidos en el enlace, de modo que éstos se hallan moderadamente desplazados hacia el oxígeno. Esta asimetría en la distribución de las cargas en cada uno de los enlaces H - 0, confiere a éstos, una cierta polaridad eléctrica, es decir, el átomo de oxígeno se encuentra sobrecargado negativamente, en tanto, que los dos átomos de hidrógeno aparecen cargados positivamente, aun cuando la molécula en su conjunto, sea eléctricamente neutra. A causa del carácter polar del enlace oxígeno-hidrógeno, la molécula de agua se convierte en un dipolo eléctrico. Todas las moléculas biatómicas con enlace polar presentan momento dipolo, algunas moléculas poliatómicas también tienen momento dipolo, por ejemplo, la molécula del agua (H2O), que como ya se menciono, debido a que el átomo de oxigeno tiene mayor electronegatividad que los átomos de hidrogeno, los electrones no se encuentran compartidos de igual forma; esto provoca una distribución de la carga, ocasionando que las moléculas se comporten como si tuvieran dos centros de carga, uno positivo y otro negativo; por lo tanto esta molécula presenta momento dipolo. El carácter dipolar de la molécula de agua, es el responsable de diferentes propiedades fisicoquímicas de ésta sustancia, y en particular, de su poder como disolvente de compuestos iónicos; por ejemplo, cuando un cristal iónico de cloruro de sodio (NaCl) se sumerge en agua, las moléculas de ésta, al ser móviles, son atraídas por los centros eléctricos fijos del cristal, orientando sus polos positivos hacia los iones negativos de la red y viceversa. Estas fuerzas atractivas ión-dipolo, debilitan los enlaces entre los iones de la red cristalina, con lo que su estructura comienza a desmoronarse, y al cabo de un cierto tiempo sobreviene la disolución total del cristal. Cada ión en libertad, es rodeado completamente por moléculas de agua orientadas de forma diferente según sea la polaridad de aquél. Se dice entonces, que el ión está hidratado y el proceso de formación de ésta capa de moléculas de agua en torno suyo se denomina hidratación. Cuando este fenómeno implica la intervención de moléculas polares diferentes del agua recibe el nombre genérico de solvatación. La característica de polaridad de la molécula del agua, ejerce un impacto muy fuerte en sus propiedades, se afirma que la polaridad del agua es vital para la vida, tal como se conoce en la tierra; como las moléculas del agua son polares se rodean y atraen iones positivos y negativos entre ellas, lo cual le permite a los compuestos iónicos se puedan disolver en agua. Así mismo, la polaridad de la molécula del agua proporciona que sus moléculas se atraigan entre si con mucha fuerza, lo que implica que se necesitan grandes cantidades de energía para cambiar de estado liquido a gas, por lo que la polaridad del agua ocasiona que ésta permanezca en estado liquido a temperatura ambiente, ya que si no presentar esta característica, el agua seria un gas y los océanos estarían vacíos.

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La polaridad contribuye a determinar gran cantidad de las propiedades de los materiales que nos rodean, las moléculas polares se orientan entre ellas y entre los iones. El extremo con carga negativa de la molécula polar y el extremo positivo de otra, se atraen mutuamente. De la misma forma, las moléculas polares son atraídas hacia los iones, el extremo positivo del ión es atraído hacia el extremo negativo de la molécula polar, y el extremo negativo del ión es atraído hacia el extremo positivo de la molécula polar. Fuerzas intramoleculares.

Existe un tipo de fuerzas que, aunque no son verdaderos enlaces, interaccionan entre una y otra molécula produciendo una fuerza de atracción entre ellas, estas fuerzas son conocidas como fuerzas intermoleculares, es decir, las fuerzas que actúan entre moléculas, iones y entre ambos. Estas fuerzas, son factor determinante para definir el estado en que se presenta la materia, es decir, determinan si una sustancia existirá en forma líquida, sólida o gaseosa a determinada presión y temperatura. Las fuerzas dipolo-dipolo, son las interacciones dipolo-dipolo permanentes, éste tipo de fuerzas intermoleculares se presentan entre las moléculas covalentes polares, debido a la atracción de la zona de densidad positiva de una molécula, y la zona de densidad negativa de otra. A mayor momento dipolar, mayores fuerzas, las que varían según 1/d4 siendo “d” la distancia intermolecular, por lo tanto, estas fuerzas son efectivas solo a distancias cortas. En los líquidos, las moléculas polares son libres de moverse en relación con las demás; en algunas ocasiones adoptan una orientación que es atractiva, y en otras ocasiones, una orientación que es repulsiva, sin embargo, en promedio resulta en una interacción atractiva entre las moléculas. Fuerzas del tipo ión–dipolo se presentan entre un ión y la carga parcial de signo opuesto del extremo de una molécula polar. La energía de interacción, E, entre un ión y un dipolo, depende de la carga del ión, Q, y del momento bipolar, μ, y de la distancia, d, del centro del ión al punto medio del dipolo: E ∝ Qμ/ d2

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Las fuerzas ión-dipolo, son un factor importante en disoluciones de sustancias iónicas en líquidos polares, por ejemplo, en una disolución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), los iones Na+ y Cl- son rodeados por moléculas de agua, las cuales funcionan como un aislante eléctrico que mantiene a los iones separados. Fuerzas de ión-dipolo inducido, un ión puede densidad electrónica de un átomo o una polar que se encuentra cercano a el. La electrónica del átomo se distorsiona por la ejercida, si el ión es positivo o por la repulsión ión es negativo, resultando la formación de un

alterar la molécula no distribución atracción ejercida, si el dipolo inducido.

La fortaleza de la interacción también depende ión y de la polarizabilidad de la molécula. Así, dispersa se encuentre la nube electrónica en el molecular, mayor será su polarizabilidad.

de la carga del cuanto más volumen

Fuerzas dipolo permanente-dipolo inducido, estas fuerzas son semejantes a las anteriores pero se presenta la diferencia de que la partícula inductora es una molécula polar en lugar de un ión, estas fuerzas son sólo más importantes que el dipolo instantáneo-dipolo inducido (London).

Enlace Puente de Hidrogeno

El enlace puente de hidrogeno se encuentra definido como la unión de dos átomos electronegativos por medio de un hidrogeno que sirve de puente entre ambos, unido a un átomo por enlace covalente y al otro por fuerzas electroestáticas; por ejemplo, el agua: Puente de hidrogeno

H

O ||||| H H

O

||||||

H

H

O H

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El puente de hidrógeno se produce entre un átomo de hidrógeno de un enlace muy polarizado y un par de electrones no compartidos de un átomo muy electronegativo (fluor, oxigeno, nitrógeno) de una molécula vecina. Cuando se constituye una molécula de H2 el enlace químico no presenta polaridad; pero cuando se enlaza con otros elementos electronegativos, como el flúor, oxigeno, o nitrógeno, el enlace cambia de forma radical y se constituye el enlace de hidrogeno o puente de hidrogeno. El átomo de hidrógeno adquiere una carga parcialmente positiva por lo que se siente atraído al centro negativo de la molécula de un lado con una fuerza intermolecular muy grande, conociéndose a esta atracción como enlace de hidrógeno. En este enlace, la nube de electrones se forma hacia el átomo mas electronegativo de la molécula, es así que el átomo con valor de electronegatividad mas alto, atrae con mayor fuerza al par de electrones compartidos con el hidrogeno, lo que hace entonces muy polar a la molécula, la nube electrónica es distorsionada hacia el átomo mas electronegativo y deja al hidrogeno positivo, el cual es atraído por el átomo electronegativo de otra molécula. El enlace puente de hidrogeno mantiene unidas de forma electroestática a dos moléculas, y debido a esta propiedad muy especial, este tipo de enlace presenta un efecto mas pronunciado que el de otros dipolos con misma diferencia de electronegatividad. El fluoruro de hidrógeno también llamado ácido fluorhídrico (HF), constituye un ejemplo importante de presencia de puentes de hidrógeno. En este caso, debido a la naturaleza fuertemente electronegativa del flúor, los electrones de la unión, pasarán la mayor parte del tiempo sobre el átomo de flúor, generando una alta densidad de carga positiva sobre el hidrógeno y una alta densidad de carga negativa sobre el flúor, ésta carga negativa (prácticamente puntual ya que el átomo de flúor es pequeño) atrae al hidrógeno de una molécula vecina compartiendo con él uno de sus pares libres. De este modo el puente de hidrógeno mantendrá unida a las dos moléculas; en realidad, éste enlace se extenderá a otras moléculas vecinas formando finalmente una cadena de moléculas como se ve en el esquema siguiente, en la que se ha simbolizado con ---- al puente de hidrógeno. F ⎯ H - - - - -F ⎯ H - - - - - F ⎯ H - - - - F ⎯ H

Se puede mencionar aquí, que los puentes de hidrógeno aunque más fuertes que las atracciones dipolodipolo, son mucho más débiles que los enlaces ordinarios, de modo que se rompen fácilmente cuando la temperatura se eleva, su valor está en el intervalo de 15 a 20 KJ/mol. Este enlace, es responsable de los puntos de fusión y ebullición inusualmente altos de compuestos tales como el HF, el H2O y el NH3, en comparación con compuestos del hidrógeno con los otros elementos del grupo 17, 16 y 15 respectivamente

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Relación entre la temperatura de ebullición y el peso molecular para sustancias con diferentes enlaces

La diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno (grupo 1) y el carbono (grupo 14), es pequeña y no existen pares de electrones no compartidos sobre el carbono; por lo tanto, el metano (CH4), componente importante del gas natural, no presenta enlace tipo puente de hidrógeno. Así mismo, podemos observar cómo la formación de enlaces puente de hidrógeno, otorga las propiedades tan características del agua, en este caso, como existen dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de oxígeno, y cada uno de éstos tiene dos pares de electrones aislados, donde pueden adherirse los puentes de hidrógeno, es posible que cada molécula de agua esté rodeada por otras cuatro, conectadas con la molécula central por puentes de hidrógeno. Esta estructura existe, en efecto en el hielo, donde cada cristal está formado prácticamente por una “molécula” grande, ya que cada unidad H2O se encuentra unida a otras cuatro; después de la fusión, persiste la misma estructura en gran parte en el agua líquida en la vecindad de 0º C, pero a medida que la temperatura se eleva, se produce en parte la ruptura de los puentes de hidrógeno, no obstante, en el agua líquida, a temperaturas ordinarias, existe aún una complejidad considerable, puesto que en todo momento cada unidad H2O se halla unida por puentes de hidrógeno a otras dos o tres unidades, aunque probablemente existe un continuo intercambio entre las moléculas del líquido, es evidente, que existen en el agua estructuras que comprenden un gran número de moléculas, aunque no definido. Como el oxígeno es menos electronegativo que el flúor, el vapor de agua consiste en moléculas simples, sin puentes de hidrógeno; eso mismo parece suceder en el amoníaco gaseoso. Es así, que éste enlace ocasiona que los puntos de fusión y de ebullición difieran de los previstos, el enlace puente de hidrogeno considerado mas importante, es aquel que ocurre con el compuesto agua, ocasiona un cambio de sus propiedades llamándolos entonces anormales. Este tipo de enlaces es muy importante en la industria de la formación de polímeros.

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Fuerzas de Dispersión

Las moléculas polares neutras, son atraídas cuando el extremo positivo de una de ellas, se encuentra cerca del extremo negativo de otra, estas fuerzas dipolo-dipolo son mas eficaces, cuando las moléculas polares se encuentran muy juntas. En éste estado líquido, las moléculas polares se mueven libremente mas con respecto a otras, en algunas ocasiones, están orientadas de forma que se atraen y a veces, pasan un mayor tiempo cerca una de otra que dos moléculas que se repelen, por lo que el efecto generalizado es una atracción neta. Al observar diferentes sustancias líquidas, se detecta que para moléculas de masas y tamaños aproximadamente iguales, la fuerza de atracción intermolecular se incrementa al aumentar la polaridad. No pueden existir fuerzas dipolo-dipolo entre átomos y moléculas no polares, pero sin embargo, debe de existir algún tipo de fuerza de atracción entre una molécula y la otra, esto se sabe, porque todas las sustancias, incluyendo a los gases nobles, existen en estado liquido y sólido a temperaturas muy bajas; las fuerzas relativamente débiles que se producen entre los átomos de los gases nobles y las moléculas no polares, se llaman fuerza de dispersión de London. Las fuerzas de London, surgen de la atracción entre dos dipolos instantáneos, los dipolos se generan debido a fluctuaciones en la ubicación de los electrones en las moléculas. Aunque los dipolos instantáneos cambian permanentemente de dirección, permanecen algún tiempo atraídos entre sí El primer científico en proponer un origen para esta atracción fue el físico alemán estadounidense Fritz London en el año 1930, en donde reconocía que el movimiento de los electrones de un átomo, o bien de una molécula, podía originar un movimiento bipolar instantáneo. Todos los gases, incluyendo los elementos con moléculas no polares como O2, N2 y F2 , e incluso los gases nobles, que son monoatómicos, como el Ne y el He, pueden licuarse. Esto implica la existencia de cierta fuerza de atracción incluso entre estas moléculas no polares. Puesto que estas sustancias tienen puntos de ebullición muy bajos, las fuerzas de atracción son algo débiles y en general, casi siempre más débiles que las fuerzas dipolo-dipolo. A estas fuerzas débiles se les llama fuerzas de London, y son importantes solo a distancias extremadamente cortas ya que varían según 1/d4. Tomemos por ejemplo varios átomos de helio, su distribución media electrónica alrededor de su núcleo es de forma esférica y por lo tanto simétrica, los átomos no presentan polaridad y no tienen un momento bipolar permanente. Pero la distribución instantánea de los electrones en un átomo, puede ser diferente a la distribución media; si logramos congelar por un instante el movimiento electrónico de un átomo dado, podría ser, que los dos electrones estuvieran en el mismo lado del núcleo, entonces justo en ese instante, el átomo presentaría un momento dipolar instantáneo. En una molécula de helio (He), los electrones se mueven a cierta distancia del núcleo, en cualquier instante puede darse que la molécula tenga un momento bipolar creado por las posiciones específicas de los electrones. Este momento bipolar se llama momento instantáneo, porque solo dura una fracción pequeñísima de segundo; en el siguiente instante, los electrones están en diferentes posiciones y la molécula tiene un nuevo dipolo instantáneo, y así de manera sucesiva, estos momentos bipolares inducidos provocan que las moléculas no polares, se atraigan entre sí. Como los electrones se repelen por tener la misma carga eléctrica (negativos), el movimiento de los electrones de un átomo dado, influyen en el movimiento de los electrones de otro átomo vecino; por lo tanto, el movimiento dipolo temporal de un átomo dado, pude provocar un dipolo similar al átomo vecino y lograr que los átomos se atraigan.

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A esta interacción de atracción se le llama dispersión de London, y también, como las fuerza dipolodipolo solo es significativa solamente si las moléculas en cuestión se encuentran muy cerca una de la otra. La polarizabilidad, es la facilidad con que la distribución de la carga de una molécula puede distorsionarse, debido a la acción de un campo eléctrico externo, se puede detectar que ésta polarizabilidad de la molécula, como una medida de la maleabilidad de su nube de electrones; cuanto más grande es la polarizabilidad de una molécula dada, es más fácil distorsionar su nube de electrones, para así originar un momento dipolo momentáneo. Lo anterior significa que las moléculas más polarizables presentan fuerzas de dispersión más intensas. De forma general, podemos decir que las moléculas más grandes tienden a presentar una polarizabilidad mayor, ya que tienen una mayor cantidad de electrones, y estos se encuentran más alejados del núcleo; por lo tanto, la intensidad de la fuerza de dispersión aumenta al incrementarse el tamaño molecular, y debido a que el tamaño y la masa molecular, van forma proporcional, la intensidad de las fuerzas de dispersión, tiende a aumentar al incrementarse el peso molecular. De manera experimental, se ha llegado a determinar que algunos gases nobles y moléculas no polares, su punto de ebullición se incrementa con la polarizabilidad de la nube electrónica, esto puede verse, en la gráfica anterior donde se observa que en ausencia de enlace de puente de hidrógeno, los puntos de ebullición de sustancias análogas (CH4, SiH4, GeH4, SnH4) aumentan con regularidad al incrementarse el tamaño de la molécula. Las fuerzas de London tienen lugar aún en caso de moléculas covalentes polares. La efectividad creciente de estas fuerzas justifica el incremento de los puntos de ebullición en la secuencia HCl < HBr < HI y H2S < H2Se < H2Te, como se puede observar en la gráfica anterior. Así mismo, esta relación depende de la forma de la molécula, esta dependencia queda demostrada al comparar los puntos de ebullición y fusión de dos sustancias de igual fórmula molecular, C5H12. Una de ellas puede considerarse como una cadena en zigzag y otra como una esfera, el acercamiento lateral de dos moléculas es más efectivo para el que presenta una forma en zigzag, así las fuerzas de London son más importantes y, por consiguiente, su punto de ebullición es 27° C más alto. Lo anterior nos explica porque los puntos de ebullición de los halógenos y los gases nobles, se incrementan al aumentar su masa molecular. Puntos de Ebullición de los Halógenos y los Gases

Halóg eno

Masa molecular (uma)

Punto de Ebullición (k)

Gas noble

Masa molecular (uma)

Punto de Ebullición (k)

F2 Cl2 Br2 I2

38.0 71.0 159.8 253.8

85.1 238.6 332.0 457.16

He Ne Ar Kr Xe

4.0 20.2 39.9 83.8 131.3

4.6 27.3 87.5 120.9 166.1

Las fuerzas de dispersión actúan entre todas las moléculas, ya sean polares o no polares; las primeras experimentan atracciones dipolo-dipolo, pero a la vez, sufren de fuerza de dispersión al mismo tiempo. Es un hecho, que las fuerzas de dispersión en las moléculas polares contribuyen con mayor intensidad a las atracciones intermoleculares que las fuerzas dipolo-dipolo, por ejemplo, en el ácido clorhídrico (HCl) se

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estima que las fuerza de dispersión representan aproximadamente el 80% de la atracción total entre las moléculas de hidrogeno y cloro, y el resto de la fuerza de atracción corresponde al dipolo-dipolo. De forma general, podemos decir que si las moléculas son equiparables en forma y peso molecular, sus fuerzas de dispersión serán aproximadamente iguales, pero las diferencias de tamaño de las fuerzas de atracción, son ocasionadas por diferencias en la intensidad de atracción dipolo-dipolo y como ya sabemos, las moléculas más polares presentan las atracciones más fuertes. Así mismo, si las moléculas son muy diferentes en su peso molecular, las fuerzas de dispersión suelen ser las decisivas; en este caso, las diferencias entre la intensidad de las fuerzas de atracción se asocian casi siempre a la diferencia en los peso moleculares, por lo que la molécula con mayor masa presenta la atracción más fuerte. La interacción interatómica que se forma de este modo, es débil y de poca duración, pero puede ser muy significante para átomos de mayor tamaño, el movimiento de los átomos debe detenerse bastante antes de que las fuerzas de dispersión de London los dejen fijos en un sitio y den lugar a un sólido, lo que nos explica porque los elementos del grupo 18 (gases nobles) tienen un punto de fusión tan bajo. Las moléculas no polares como H2, N2, I2 que no presentan momento dipolo, son también atraídas entre si por medio de las fuerzas de dispersión de London. Punto de Fusión de los Gases Nobles

Elemento Helio Neón Argón Kriptón Xenón

ºC -269.7 -248.6 -189.4 -157.3 -111.9

Así mismo, se conoce como la fuerza de Van der Waals a las fuerza de dispersión, dipolo-inducido y dipolo-dipolo, lo anterior en memoria del científico de origen holandés Van der Waals, se conoce que estas fuerzas de atracción desempeñan un importante papel en la determinación de las características de las sustancias, tales como solubilidad, puntos de ebullición, fusión y, estado de la materia. Las fuerzas de Van der Waal es determinante en la distancia existente entre las moléculas de un sólido o un liquido ya que estas fuerzas de atracción y de repulsión interactúan entre los núcleos y los electrones.

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Actividad 1. Menciona las principales características de los metales _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 2. ¿Que tipo de enlace se forma cuando dos átomos no metálicos se unen?____________________________________________________________ 3. ¿Por qué se dice que la polaridad de la molécula del agua es vital para la vida? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 4. ¿Qué son las fuerzas intramoleculares? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ___________________ 5. ¿Qué es el enlace puente de hidrógeno? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____ 6. ¿De que manera el enlace puente de hidrogeno mantiene unidas a dos moléculas? _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 7. ¿Qué es un enlace covalente? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________ 8. ¿Que sucede con la fuerza de atracción intermolecular al aumentar la polaridad?______________________________________________________________________ __________________________________________________ 9. ¿Cuál fue la propuesta de Fritz London? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____ 10. Menciona los tres tipos de enlace covalente _______________________________________________________________________________ _________________________________________________ 11. Describe un enlace covalente simple _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________

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12. Describe un enlace covalente múltiple _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ____ 13. ¿Qué es un fotoconductor? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ___________________ 14. De acuerdo al concepto de la teoría de bandas explica como se transmite la corriente eléctrica por los metales _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________ 15. Por que razón materiales como carbono. Silicio, fósforo y azufre no conducen la ¿corriente eléctrica? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ___________________ 16. ¿Que es un semiconductor? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ___________________ 17. ¿De que depende la polaridad en un enlace químico? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ __________________________________

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Nomenclatura de los compuestos binarios La enorme cantidad de compuestos que maneja la química, hace imprescindible la existencia de un conjunto de reglas, que nos permitan nombrar de igual manera en todo el mundo científico un mismo compuesto, de no ser así, el intercambio de información sobre química entre unos y otros países, serían de escasa utilidad. Los químicos, a consecuencia de una iniciativa surgida en el siglo pasado, decidieron representar de una forma sencilla y abreviada cada una de las sustancias que manejaban, la escritura en esa especie de clave de cualquier sustancia constituye su fórmula y da lugar a un modo de expresión peculiar de la química que, con frecuencia, se le denomina lenguaje químico. La formulación de un compuesto, al igual que su nomenclatura (esto es, la transcripción de su fórmula en términos del lenguaje ordinario), se rige por unas determinadas normas que han sido retocadas en los últimos años, con el único propósito de conseguir un lenguaje químico lo más sencillo, y a la vez general posible. Un organismo internacional, la I.U.P.A.C. (International Union of Pure and Applied Chemistry), encargado de tales menesteres, ha dictado unas reglas para la formulación y nomenclatura de las sustancias químicas. Antes de proceder al estudio de tales reglas para cada tipo de compuesto, es preciso conocer perfectamente los símbolos de los diferentes elementos químicos, base de esta forma de expresión. Una memorización previa de todos ellos resulta pues, imprescindible, la fórmula química de un compuesto dado, además de indicar los elementos que lo constituyen, proporciona la relación numérica en que intervienen sus respectivos átomos (o iones). Tales números están relacionados con el de enlaces posibles de unos átomos (o iones) con otros y dan idea de la capacidad de combinación de los elementos en cuestión. De manera general y para efectos de formulación, a cada uno de los elementos dentro de un compuesto se le asigna un número, ya sea positivo o negativo, el cual se denomina índice, número o grado de oxidación. Este índice puede considerarse como la cantidad de electrones perdidos o ganados en el ión correspondiente (en el supuesto de que todos los compuestos fueran iónicos) mas sin embargo no obstante presenta un carácter fundamentalmente operativo, pues sirve para deducir con facilidad las fórmulas de las diferentes combinaciones posibles. Cuando se analiza con detenimiento los números de oxidación que se asignan a los elementos de más importancia (H+1, Li+1, Mg+2, B+3, C+-4, N-3, O-2, F-1, Cl-1), se advierte la existencia de ciertas relaciones entre el índice de oxidación de un elemento y su posición en el sistema periódico, de manera que es posible deducir las siguientes reglas básicas: ƒ ƒ ƒ

Los elementos metálicos tienen índices de oxidación positivos. Los elementos no metálicos pueden tener índices de oxidación tanto positivos como negativos. El índice de oxidación positivo de un elemento alcanza como máximo el valor del grupo (columna) al que pertenece dentro del sistema periódico. En el caso de que tome otros valores, éstos serán más pequeños, soliendo ser pares o impares según el grupo en cuestión sea par o impar.

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ƒ

El índice de oxidación negativo de un elemento viene dado por la diferencia entre ocho y el número del grupo al que pertenece dentro del sistema periódico.

Es necesario aclarar que estos números se asignan a los diferentes elementos solamente cuando se hallan formando un compuesto, el índice de oxidación de un elemento sin combinar es cero. Al igual que sucedía con los símbolos, los números de oxidación deben memorizarse, puesto que junto con aquéllos constituyen los elementos básicos de toda la formulación química, es conveniente hacerlo por grupos de elementos con igual índice de oxidación, ya que cuando elementos diferentes actúan con idénticos índices de oxidación, dan lugar a fórmulas totalmente análogas. Como ya se comento con anterioridad, se denominan compuestos binarios, aquellos que resultan de la combinación de dos elementos; por esta razón, sus formulas presentaran tan sólo dos símbolos. Para fijar tanto el orden en el que éstos han de escribirse como en el que habrán de leerse, la Unión Internacional de Química Pura Aplicada (I.U.P.A.C. por sus siglas en ingles) ha tomado como base la siguiente secuencia de los diferentes elementos: Metales, B, Si, C, Sb, As, P, N, H, Te, Se, S, I, Br, Cl, O, F. Para formular un compuesto binario, debemos de escribir en primer término el símbolo del elemento que se encuentra más a la izquierda en la secuencia anterior y a continuación el del otro. El número de oxidación del primer elemento, prescindiendo de su signo, se coloca como subíndice del símbolo del segundo elemento y viceversa, utilizando cifras de la numeración ordinaria, si uno de ellos o ambos coinciden con la unidad se omiten; si uno es múltiplo del otro se dividen ambos por el menor y los resultados correspondientes se fijan como subíndices definitivos. Para establecer el nombre de cualquier compuesto binario, se cita en primer lugar y en forma abreviada el elemento ubicado mas a la derecha en la formula, seguido de la terminación -uro (excepto los óxidos); a continuación, se nombra el elemento de la izquierda precedido de la preposición de. En el caso de que dicho elemento pueda actuar con distintos índices de oxidación se escribirá a continuación en números romanos y entre paréntesis, aquél con el cual interviene en la formación del compuesto (salvo el signo). Otra forma de nomenclatura para los compuestos binarios, aceptada asimismo por la I.U.P.A.C., consiste en expresar el número de átomos de cada molécula, o lo que es lo mismo, sus subíndices, mediante los prefijos mono-, di-, tri-, tetra-, penta-, etc. para los números 1, 2, 3, 4, 5, etc. Las anteriores reglas generales de formulación y nomenclatura serán aplicadas a continuación a casos concretos que corresponden a diferentes tipos de compuestos binarios. Óxidos Básicos

Cuando un elemento metálico reacciona con oxigeno, se forma un óxido básico, este tipo de compuestos son también llamados óxido metálico, estas combinaciones de metal con oxigeno (O2), se denominan con la palabra óxido, seguida por el nombre del elemento metálico, por ejemplo: el material llamado óxido de sodio (Na2O). Si el metal presenta dos valencias podemos utilizar el método tradicional para nombrarlo, el cual consiste en el nombre del metal con la terminación “oso” para el menor, y la terminación “ico” para el mayor. Otra forma de denominar a los óxidos es nombrar el metal con el número de oxidación representado con números romanos entre paréntesis, esta manera es la recomendada por la Unión Internacional de Química Pura Aplicada (IUPAC por sus siglas en inglés).

168

Fórmula

Na2O FeO Fe2O3 Hg2O HgO MgO

Nomenclatura Clásica IUPAC

Óxido de sodio Óxido sódico Oxido ferroso Oxido férrico Oxido mercuróso Oxido mercúrico Oxido magnésico

Oxido de sodio (I) Oxido de hierro (II) Oxido de hierro (III) Oxido de mercurio (I) Oxido de mercurio (II) Oxido de magnesio (II)

Existen algunos óxidos, que presentan un átomo más de oxigeno que los oxidos ordinarios, y reciben el nombre de peróxidos. Para nombrar a estos materiales, se añade el prefijo “per” a la palabra óxido y después se menciona el nombre del elemento metálico; en los peróxidos el oxigeno tiene valencia -1. Por ejemplo: H2O2 peróxido de hidrogeno Na2O2 peróxido de sodio BaO2 peróxido de bario K2O2 peróxido de potasio

A propósito de los óxidos, cabe señalar una cuestión que es de aplicación general para todo tipo de compuesto químico. Al igual que sucede con los átomos, la condición de molécula o de agrupación iónica equivalente, lleva aparejada la neutralidad eléctrica, por ésta razón, el número que resulta de la suma algebraica de los índices de oxidación de cada uno de los átomos que intervienen en la fórmula, debe de ser igual a cero. Para conseguirlo, los átomos de cada elemento han de intervenir en número suficiente como para que se compensen mutuamente los índices de oxidación. Tomando por ejemplo los casos anteriores se tiene:

169

De acuerdo con esto, y recordando que cada símbolo representa un átomo del correspondiente elemento, resulta fácil comprender el porqué de los subíndices, así como la razón del intercambio de los números de oxidación.

Actividad

1. Escribe el nombre de los siguientes óxidos metálicos: a)

CaO _____________________________________________

b)

MgO _____________________________________________

c)

Cs2O _____________________________________________

d)

Li2O _____________________________________________

e)

Li2O2 _____________________________________________

f)

BaO _____________________________________________

g)

Al2O3 _____________________________________________

h)

Ag2O _____________________________________________

2. Escribe la formula correcta de los siguientes compuestos a) Oxido de calcio ___________________________________ b) Oxido ferroso ____________________________________ c) Oxido de níquel (III) ______________________________ d) Oxido de zinc ___________________________________ e) Oxido de mercurio (III) ___________________________ f) Trióxido de dialuminio _____________________________ g) Oxido de cadmio ________________________________ h) Oxido de cobre (II) ______________________________

170

Óxidos Ácidos

Estos compuestos binarios se producen cuando reacciona oxigeno con un no metal, son también llamados anhídridos u óxidos no metálicos, estos compuestos se pueden nombrar de tres formas: ƒ

Con la palabra anhídrido, más la raíz del nombre del no metal, agregándole la terminación “oso” o “ico” según el grado de oxidación del no metal, por ejemplo: Compuesto

N2O3 N2O5 ƒ

ƒ

Raíz del no metal

Terminación “oso” “ico”

nitr

oso ico

Anhídrido

De acuerdo a la cantidad de oxigeno que tenga el óxido ácido. Se le antepone a la palabra óxido el prefijo que nos indique la cantidad de oxigeno que presenta el compuesto, seguida de la preposición “de”, y al último, el nombre del elemento no metálico, por ejemplo: Compuesto

Prefijo

CO CO2 SO3

Mono Di Tri

Nombre del No Metal

Carbono Carbono Azufre

Óxido de

Podemos también, llamarlos anteponiendo el prefijo griego que indique cantidad de oxigeno, seguida del nombre del elemento no metálico, por ejemplo: Compuesto

Prefijo

Cl2O3 P2O5

Tri Pent

Nombre del No Metal

Óxido de

Di cloro Di fósforo

Los elementos clasificados como no metales, pueden presentar diferentes números de oxidación; por lo que los prefijos y sufijos, estarán determinados por su número de oxidación presente. Número de oxidación

Prefijo

Sufijo

1 o 2 (mínimo) 3 o 4 (menos) 5 o 6 (mayor) 7 (máximo)

hipo per

oso oso ico ico

Como ya se menciono con anterioridad, podemos nombrar a los óxidos no metálicos (anhídridos) con el prefijo que nos indica la cantidad de átomos presentes, también con la palabra óxido luego del nombre del no metal, y un número romano que nos indique su valencia, por ejemplo, los óxidos del cloro con valencia 1,3,5,7, serían:

171

Fórmula

Nombre común

Prefijo

Cl2O3

Anhídrido hipocloroso Anhídrido cloróso

Cl2O5

Anhídrido clórico

Cl2O7

Anhídrido perclórico

Monóxido de dicloro Trióxido de dicloro Pentóxido de dicloro Heptóxido de dicloro

Cl2O

Número romano

Óxido de cloro (I) Oxido de cloro (III) Oxido de cloro (V) Oxido de cloro (VII)

Al utilizar prefijos para indicar el número de átomos presentes, el prefijo “mono” nunca se emplea junto con el nombre del primer elemento en la fórmula, por ejemplo CO se llama monóxido de carbono, y nunca monóxido de monocarbono. Prefijo Número que indica

mono di tri tetra penta hexa hepta octa mona deca

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

172

Actividad

1. Escribe correctamente el nombre de los siguientes compuestos: a) N2O3 _____________________________________________________________ b) SiO2 ________________________________________ c) Cl2O _______________________________________ d) CO2 _______________________________________ e) Br2O ______________________________________ f) I2O5 _______________________________________ g) MnO2 _____________________________________ h) Sb2O5 ____________________________________

2. Escribe correctamente la formula de los siguientes compuestos a) monóxido de azufre ___________________________________ b) Monóxido de carbono _________________________________ c) Oxido de cloro (III) ___________________________________ d) anhídrido hipocloroso _________________________________ e) Pentóxido de difósforo _______________________________ f) Anhídrido fosforoso __________________________________ g) tritóxido de dibrómo __________________________________ h) anhídrido nítrico ____________________________________

173

Hidruros

Los hidruros son compuestos binarios (conformados por dos elementos) originados cuando se combina hidrogeno con un elemento metálico. Los metales que forman este tipo de compuesto, son los de grupos I y II de la tabla periódica, cuando el hidrogeno reacciona para formar hidruros presenta valencia -1 ya que tiene mayor electronegatividad que estos metales, por ejemplo:

Fórmula

LiH KH CaH2 MgH2 NaH SrH2

Nombre

Hidruro de litio Hidruro de potasio Hidruro de calcio Hidruro de magnesio Hidruro de sodio Hidruro de estroncio

Hidrácidos

Tanto la nomenclatura como la formulación de éstos compuestos, se rige por las normas generales; sin embargo, es preciso hacer constar que las combinaciones binarias del hidrógeno con los elementos F, Cl, Br, I, S, Se, Te, que le siguen en la ordenación de la I.U.P.A.C., reciben el nombre especial de hidrácidos, pues tales compuestos, en solución acuosa, se comportan como ácidos. Por esta razón, cuando se hallan disueltos en agua, se nombran anteponiendo la palabra ácido al nombre abreviado del elemento (que junto con el hidrógeno forma la combinación), al que se le añade la terminación hídrico. Los referidos elementos actúan en tal caso con su número de oxidación más bajo: -1 para los cuatro primeros y -2 para los tres últimos. Los hidrácidos son también compuestos binarios, y se producen cuando el hidrogeno reacciona con un elemento no metálico. Para denominarlos utilizamos la palabra ácido, luego el nombre del no metal, seguido de la terminación hídrico, los hidrácidos son ácidos que no contienen oxigeno. Por ejemplo: Fórmula

Nombre

HCl HF H2S HBr

Ácido clorhídrico Ácido fluorhídrico Ácido sulfhídrico Ácido bromhídrico

174

Actividad

a. Escribe correctamente el nombre de los siguientes compuestos a) HBr _______________________________________ b) H2Se ______________________________________ c) HCl _______________________________________ d) LiH ______________________________________ e) CaH2 _____________________________________ f) H2S______________________________________ g) NaH _____________________________________ h) H2Te ____________________________________ i) HI ______________________________________ j) BaH2 ____________________________________ k) CsH _____________________________________ l) SrH2 _____________________________________

175

Sales Sencillas

Este tipo de compuestos se forman al reaccionar un metal con un no metal, es decir, son compuestos binarios. Se obtienen al reaccionar un hidrácido con un metal o un hidróxido. Son combinaciones iónicas de los no metales F, Cl, Br, I, S, Se, Te, con elementos metálicos, para nombrarlos debemos sustituir la terminación hídrico del ácido de donde proviene, por la terminación “uro”, después se nombra el metal, y si este presenta valencias variables, se tendrá que agregar la terminación “oso” o “ico” según corresponda. Por ejemplo: HCl Ácido Clorhídrico

+

NaOH

Hidróxido de sodio

→

NaCl

Cloruro de sodio

+

H2O Agua

Algunos ejemplos de este tipo de sales son: cloruro de magnesio (MgCl2), cloruro férrico (FeCl3), yoduro de cloro (CaI2), fluoruro de calcio (CaF2), bromuro de cobre (CuBr), bromuro cúprico (CuBr2). Fórmula

Nombre

PbCl4

cloruro de plomo tetracloruro de plomo sulfuro de aluminio (III) trisulfuro de dialuminio cloruro de potasio ioduro de cobre (I) bromuro de litio

Al2S3 KCl CuI LiBr

176

Actividad

1. Escribe correctamente el nombre de los siguientes compuestos: a)

Fe2S3

_____________________________

b)

NaCl

_____________________________

c)

FeCl3

_____________________________

d)

AlI3

_____________________________

e)

MgCl2

_____________________________

f)

FeCl2

____________________________

g)

Cr2S3

_____________________________

h)

Ni2S3

______________________________

i)

PbF4

______________________________

2. Escribe correctamente la formula de los siguientes compuestos: a) Cloruro ferroso _____________________________________ b) Bromuro de hierro (II) _______________________________ c) Bromuro de cobalto (II) ______________________________ d) Seleniuro de aluminio ________________________________ e) Fluoruro de calcio __________________________________ f) Yoduro de cesio ___________________________________ g) Fluoruro de aluminio ______________________________

177

Nomenclatura de Compuestos Ternarios Oxiácidos

Los oxiácidos se encuentran formados por tres elementos, por lo que se clasifican como compuestos ternarios, están conformados por la reacción de hidrogeno, oxigeno y un no metal, el cual le da el nombre al ácido. Su fórmula típica es, HaXbOc. En los oxiácidos, el oxígeno actúa con índice de oxidación -2, el hidrógeno con índice de oxidación +1, por lo que conocida la fórmula y teniendo en cuenta que el índice de oxidación resultante para una molécula ha de ser nulo, resulta sencillo determinar el número de oxidación correspondiente al elemento central X, que será siempre positivo. Los oxiácidos como su nombre lo indica son ácidos que contienen oxigeno y se obtienen a partir de un hidrácido más agua. Para nombrarlos existen tres maneras, las cuales son: 1. Cuando el compuesto forma un solo oxiácido. Fórmula H2CO2 H3BO3

Ácido

Raíz del elemento Carbón Bar

Terminación ico ico

2. Cuando en la reacción, el compuesto puede formar dos oxiácidos, utilizamos la terminación “oso”, para el que presenta menos oxigeno, y la terminación “ico” para el que presenta más oxigeno. Fórmula Raíz del elemento Terminación o sufijo HNO2 nitr oso HNO3 nitr ico H2SO3 Ácido sulfr oso H2SO4 sulfr ico

3. Si del compuesto se producen más de dos oxiácidos, utilizaremos el prefijo “hipo” para el que contenga la menor cantidad de oxigeno; y el prefijo “per” para el oxiácido que tenga la mayor cantidad de oxigeno, con la terminación “oso” o “ico”, según corresponda. Fórmula HClO HClO2 HClO3 HClO4

Ácido

Prefijo hipo per

Raíz del elemento clor clor clor clor

178

Terminación oso oso ico ico

Actividad

1. Escribe correctamente el nombre de los siguientes compuestos a. H2CO2 ___________________________________________ b. HClO3 ___________________________________________ c. H2SO4 ___________________________________________ d. H3PO4 _______________________________________ e. HNO3 _______________________________________ f. HBrO _______________________________________ g. H2SeO4 _____________________________________ h. H2MnO4 ____________________________________ 2. Escribe correctamente la formula de los siguientes compuestos a. Acido permangánico ____________________________ b. Acido carbónico _______________________________ c. Acido sulfuroso _______________________________ d. Acido nítrico _________________________________ e. Acido férrico _________________________________ f. Acido fosforoso ______________________________ g. Acido telúrico ________________________________ h. Acido carbónico ______________________________

179

Hidróxidos

Los hidróxidos se clasifican como compuestos ternarios ya que están formados por tres elementos; hidrogeno, oxigeno y un metal. Un hidróxido está formado por la combinación del grupo hidróxido o hidroxilo (OH)-, con un ión positivo por lo general metálico. El grupo OH- es un caso típico de ión poliatómico negativo, y a efectos de nomenclatura se trata como si fuera un solo elemento con grado de oxidación (-1); de ahí que los hidróxidos sean considerados como compuestos seudobinarios. Los hidróxidos se comportan químicamente como bases; es más, constituyen las bases típicas. Como ya se menciono, en los hidróxidos el hidrogeno y el oxigeno se encuentran unidos formando el radical hidróxido (OH-) el cual otorga origen a su nombre, aunque también se les llama bases. Los hidróxidos o bases, se obtienen por la reacción de un óxido básico con agua y para nombrarlos se utiliza la palabra hidróxido, enseguida el nombre del metal con la terminación “oso” o “ico” según el grado de oxidación que corresponda. Compuesto NaOH Ca(OH)2 Al(OH)3

Hidróxido de

Nombre del metal Sodio

Compuesto

Calcio

Ca(OH)2

Aluminio

Al(OH)3

NaOH Hidróxido

Nombre del metal Sod

Terminación “oso, ico”

Calc

ico

Alumin

Si se da el caso de que el elemento metálico presente más de una valencia, para nombrarlo se utilizará de forma genérica la palabra hidróxido, seguida del nombre del metal, indicando entre paréntesis en números romanos la valencia del elemento metálico. Compuesto Fe(OH)2 Fe(OH)3

Nombre del metal Hidróxido de

Hierro

Valencia del elemento metálico ( II ) ( III )

Oxisales

Las oxisales resultan por la sustitución del hidrógeno en los oxiácidos, por átomos de elementos metálicos, al igual que las sales binarias, las oxisales también son compuestos iónicos. El ión positivo llamado catión, es un ión monoatómico metálico, pero a diferencia de aquéllas, el ión negativo denominado anión es un ión poliatómico, esto es, una agrupación de átomos con exceso de carga negativa. Si a efectos de formulación y nomenclatura dicho grupo se considera como si fuera un elemento, las cosas se simplifican mucho, pues se procede prácticamente como si se tratara de un compuesto binario del catión y del anión. La fórmula del anión se obtiene haciendo que el acido pierda sus átomos de hidrógeno, asignándole por consiguiente igual número de cargas negativas. En cuanto al nombre, se obtiene cambiando la terminación “oso” del ácido, por la terminación “ito”; así mismo la terminación “ico” por la

180

terminación “ato”; y sustituyendo la palabra ácido por la de ión. Los prefijos, si es que los hay, permanecen inalterados. Si se desea proceder utilizando la nomenclatura sistemática, bastará anteponer al nombre del ácido la palabra ión y suprimir de hidrógeno Para nombrar a las oxisales, primero se escribe el símbolo del elemento metálico, y a continuación el del anión, sin hacer explícita su carga. Seguidamente se escriben como subíndices, los respectivos números de oxidación intercambiados, como si se tratara de un compuesto binario (se considera como número de oxidación del anión su carga eléctrica). El nombre de las oxisales, se forma anteponiendo el del anión poliatómico correspondiente al del elemento metálico, precedido de la preposición “de”, seguido del número de oxidación, en el caso de que el metal pueda actuar con más de uno Las oxisales son compuestos clasificados como ternarios, ya que se encuentran formados por un metal, un no metal y oxigeno. Este tipo de compuestos se forman cuando reacciona un oxiácido con un metal o una base (hidróxido) y en la reacción se sustituye el hidrogeno del ácido por el metal.

H2SO4 Ácido Sulfúrico

+

Mg(OH)2

Hidróxido de magnesio

→

MgSO4

Sulfato de magnesio

+

2H2O

Agua

Como ya se menciono anteriormente, para nombrar a las oxisales se utiliza el nombre del anión, que indica el ácido de donde proviene, pero no debemos de olvidar cambiar la terminación; si el ácido termina en “oso”, la sal deberá de terminar en “ito”; si el ácido termina en “ico”, la sal deberá de terminar en “ato”, y enseguida el nombre del elemento metálico. Ácido HNO2 HNO3 H2SO3 H2SO4

Nombre del ácido Ácido nitroso Ácido nítrico Ácido sulfuroso Ácido sulfúrico

Oxisal NaNO2 NaNO3 K2SO3 K2SO4

Nombre de la sal Nitrito de sodio Nitrato de sodio Sulfito de potasio Sulfato de potasio

Las sales así mismo, se pueden nombrar usando la nomenclatura de la IUPAC, es decir anotando la valencia del elemento metálico en números romanos entre paréntesis. Fórmula CuNo3 Cu(NO3)2 FeSO4 Fe(SO4)3

Nombre Nitrato de cobre (I) Nitrato de cobre (II) Sulfato de hierro (II) Sulfato de hierro (III)

181

Actividad

1. Escribe correctamente los nombres de los siguientes compuestos: a)

AgNO3

______________________________

b)

Cu(OH)2

______________________________

c)

AL(OH)3

______________________________

d)

Al2(SO4)2

______________________________

e)

Ca3PO4

______________________________

f)

Fe(OH)3

______________________________

g)

KNO3

______________________________

h)

Mg(OH)2

______________________________

1. Escribe correctamente la formula de los siguientes compuestos a. Hidróxido de potasio ___________________________ b. Hidróxido de calcio ____________________________ c. Hidróxido ferroso ___________________________ d. Carbonato de sodio __________________________ e. Sulfato de sodio ______________________________ f. Sulfato de cobre (II) ___________________________ g. Silicato de magnesio ___________________________

182

Compuestos Cuaternarios Sales Ácidas

Estas sales son compuestos cuaternarios, es decir están constituidos por cuatro átomos; hidrogeno, un metal, un no metal y oxigeno. Las sales ácidas se obtienen de la sustitución parcial de los hidrógenos de un ácido por un elemento metálico, es decir son oxisales que tienen hidrogeno. Para nombrarlos se utiliza el nombre del radical electronegativo con las terminaciones “ato” e “ito” según corresponda, seguido de la palabra ácido, y por último, el nombre del elemento metálico. Ácido H2SO3 H2SO4 H2CO3 H3PO4

Nombre del ácido Ácido sulfuroso Ácido sulfúrico Ácido carbónico Ácido fosfórico

Sal ácida KHSO3 KHSO4 NaHCO3 CaHPO4

Nombre de la sal Sulfito ácido de potasio Sulfato ácido de potasio Carbonato ácido de sodio Fosfato ácido de calcio

Sales Básicas

Las sales básicas se clasifican también como compuestos cuaternarios ya que su molécula contiene un elemento metal, otro no metal, hidrogeno y oxigeno; pero estos dos últimos en forma de radical hidróxido, por ejemplo: Ca(OH)Cl, Al(OH)2NO3 Ion

Nombre

Ion

Nombre

NH+4 NO-2 NO-3 SO-23 SO-24 HSO-4

CO-23 OHCNPO-34 HPO-24 H2PO-4

Carbonato Hidróxido Cianuro Fosfato Hidrogeno fosfato Dihidrógeno fosfato

ClO-

Amonio Nitrito Nitrato Sulfito Sulfato Hidrogeno sulfato (nombre común bisulfato) Hipoclorito

HCO3

ClO-3 C2H3O-2 Cr2O3O-27 O-22

Clorato Acetato Bicromato Peróxido

ClO-2 ClO-4 MnO-4 CrO-24

Hidrogeno carbonato (nombre común bicarbonato) Clorito Perclorato Permanganato Cromato

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BIBLIOGRAFIA CONSULTADA Química de hoy. Alcántara B. Ma. del Consuelo Editorial Mc Graw Hill Química General. Castañedo Ma. de los Ángeles Editorial Mc Graw Hill Practicas de Química 1. Gutiérrez C. Sara E. Colección DGETI El Mundo tu y la química 1y 2. Flores de Labardini Teresita Editorial Esfinge Fundamentos de química inorgánica. Flores A. Héctor I. Editorial Minerva Química inorgánica. Recio del Bosque Francisco Editorial Mc Graw Hill Fundamentos de química. Zumdahl S. Editorial Mc Graw Hill Química la ciencia central. Brown T. Editorial Prentice Hall Química II. Landa Barrera M. Editorial Nueva Imagen Química II. Beristain Bonilla B. Editorial Nueva Imagen.

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