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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
13
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.
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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.
21
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.
22
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.
24
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…
……
…
……………
25
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.
..
26
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.
28
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
29
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
32
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
34
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?
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_____________________________________________________________________________
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
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_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
10. Con tus palabras define el termino Química
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_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
11. ¿Qué estudia la química orgánica?
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_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
12. ¿De que manera podemos comprender los cambios físicos, químicos y biológicos que suceden
en la naturaleza?
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13. Menciona los pasos del método científico
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_____________________________________________________________________________
14. ¿Qué es una teoría?
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_____________________________________________________________________________
15. ¿Cuáles son las dos partes que conforman una medición?
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_____________________________________________________________________________
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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.
38
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
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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.
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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
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3. Menciona como se encuentra clasificadas las propiedades de la materia
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4. Menciona tres características generales de la materia
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5. Es la cantidad de materia que contiene un cuerpo
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6. ¿Será lo mismo peso que masa? Por que
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7. Con tus palabras define el concepto de ebullición
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8. ¿Qué es un cambio físico?
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9. ¿Como son los tipos de átomos que forman a un elemento?
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10. ¿Cómo reconocemos cuando se ha efectuado un cambio químico?
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11. ¿Cuál es el factor determinante para la formación de los tres estados de agregación de la materia?
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12. ¿Qué sucede con las moléculas de una sustancia que a sufrido algún cambio físico?
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13. ¿Qué es una sustancia pura?
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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
47
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.
50
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.
52
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:
54
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.
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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.
58
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.
62
•
•
•
•
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
63
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.
64
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
65
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.
66
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
67
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.
68
Actividad
1. ¿De que le sirve al ser humano conocer la manera que se encuentra constituida la materia?
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2. Menciona el concepto de la ley de Richter Wencel
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3. ¿Que teoría propuso el filósofo griego Empédocles con respecto ala constitución de la materia?
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4. ¿Qué científico es el autor de la ley de las proporciones constantes?
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5. ¿Quien fue la primera persona en denominar átomo a las partículas constituyentes de la materia?
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6. Describe la teoría de Demócrito con respecto a la formación de la materia
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7. Describe la ley de la conservación de la masa y la energía
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8. ¿Que son las leyes ponderales?
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9. Define la ley de las proporciones múltiples
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10. ¿Qué significa que una reacción química sea exotérmica?
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11. Esta ley nos dice que nada se crea ni se destruye, solo se transforma
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70
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
74
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
75
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.
77
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
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5. ¿Como son los átomos que conforman a un elemento?
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6. ¿Cuáles son las partes que componen aun átomo?
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7. ¿A que se le conoce como isótopo?
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8. ¿Cómo es la carga total neta de un átomo?
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9. Describe brevemente el modelo atómico de J. J. Thompson
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10. ¿Cuál es el científico que descubrió el núcleo del átomo?
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11. Describe de manera breve el experimento de Ernest Rutherford
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78
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.
79
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.
80
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.
81
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).
82
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
83
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?
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12. ¿Que partículas atómicas conforman casi todo el volumen del átomo?
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13. Cuando dos átomos se unen, ¿cuales partículas subatómicas se enlazan?
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14. ¿Que parte del átomo es el factor determinante para su comportamiento químico?
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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.
86
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
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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
89
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
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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?
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9. ¿Es la suma de los protones y electrones de un átomo?
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10. ¿Qué es la unidad de masa atómica?
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11. ¿De que manera se determina la masa atómica de un elemento?
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12. ¿A que se le llama isótopo?
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13. ¿Cuál es la diferencia entre el número de masa y la masa atómica?
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14. ¿A que se le conoce como molécula?
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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.
93
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
95
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.
96
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.
97
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.
98
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
99
Orbitales
“s”
“p”
“d”
“s”
“p”
“d”
“f”
8
18
32
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.
100
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
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
101
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.
102
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
104
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.
105
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
106
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).
107
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.
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108
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.
109
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
125
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!
126
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.
127
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.
128
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
131
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
132
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
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_____________________________________________________
133
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?
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
____
134
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
135
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.
136
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
137
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.
138
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.
139
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?
____________________________________________________________________________
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7. ¿Por que a los materiales que presentan una estructura de tipo multidireccional son muy duros?
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145
8. ¿Menciona una de las características más importantes de los compuestos iónicos?
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9. ¿Que nombre recibe el elemento que cede un electrón?
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10. ¿Cuál es el factor determinante en la conformación física de las moléculas?
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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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146
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
147
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
148
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
149
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.
150
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.
151
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.
152
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
153
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.
154
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.
155
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.
157
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
158
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
159
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
160
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.
161
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.
162
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
163
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.
164
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
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
__________________________________
165
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?
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
__________________________________
166
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.
167
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
183
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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