MATERIAL DE APOYO QUIMICA I PARTE I
UNAM PREPARADO POR: LIC. L. MARIEL CHAUCA VALDEZ CQP: 781
1. MATER MATERIA IA Y ENERG ENERGIA IA Se llama llama materia a todo aquello que tiene dimensiones, presenta iner inerci cia a y orig origin ina a grav gravit itac ació ión. n. Veamo eamoss con con más más deta detall lle e esta estass propiedades básicas de la materia: Dimensiones: ocupa un lugar en el espacio Inercia: resistencia que opone la materia a modifcar su estado de reposo o de movimiento. Graved Gravedad ad o gravit gravitac ación ión:: es la atracc atracción ión que acta acta siempr siempre e entre ob!etos materiales aunque est"n separados por grandes distancias. #a gravedad por e!emplo es la responsable de que los los ob!e ob!eto toss caig caigan an al suel suelo o y no se qued queden en susp suspen endi dido doss $otando. La maa !"m" me#i#a #e $a materia: La masa se relaciona con la cantidad de materia y su valor mide la inercia de un cuerpo, as% como la acción gravitatoria que este e!erce. &or &or e!emplo un cuerpo de '( )g tiene el doble de inercia que un cuerpo de * )g, es decir, para conseguir que los dos se muevan de la misma +orma, será preciso e!ercer el doble de +uera sobre el primero que en el segundo. Err"re %re!&e'te e' re$a!i(' !"' e$ !"'!e)t" #e maa: • •
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-#os cuerpos más grandes tienen siempre más masa /o 0ay relación directa entre el tama1o y la masa, ya que la masa de un cuerpo pued puede e esta estarr mas mas o meno menoss comp compac acta tada da y ocup ocupar ar más más o meno menoss volumen. #a relación entre la masa de un cuerpo y su volumen 2tama1o3 viene *. E!a$a #e "+er,a!i(' #e$ m&'#" materia$ #a escala de "+er,a!i(' ma!r"!()i!a es aquella que podemos per percibir ibir a tra trav"s de nues nuestr tros os o!o o!os. #a esca scala de "+er,a!i(' mi!r"!()i!a es aquella aquella que no podemos ver con nuestros nuestros o!os y se basa en la observación directa y la observación indirecta. Veamos estos dos m"todos de observación: "+er,a!i a!i(' (' #ire! #ire!ta ta requiere la utili #a "+er, liación ión de ins instrum trume entos ntos adecu decua ados dos, com como micr icrosco oscopi pios os ópt ópticos icos,, electrónicos, etc. •
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#a "+er,a!i(' i'#ire!ta se basa en que a partir de 0ec0os e4perimentales observables a escala macroscópica, se idean mode modelo loss y esta establ blec ecen en leye leyess y teor teor%a %ass que que desc descri ribe ben n el comportamiento comportamiento de la materia a escala microscópica.
Le- #e ra,ita!i(' &'i,era$. Di,er ,erii#a# #a# #e tama tama/ /" #e $a mate materria: $" (r# (r#e'e e'e #e ma'it&# #a observación de la materia nos permite reconocer tama1os muy variados que van desde el tama1o más peque1o que es el del ncleo de un átomo 2(,((( ((( ((( ((( ((' m3 al tama1o mayor que es el del diámetro del universo 2'(( ((( ((( ((( ((( ((( ((( ((( ((( m3. &ara simplifcar simplifcar la escritura escritura y la lectura lectura de estos nmeros nmeros se emple plea la '"ta!i(' !ie't0!a , que consiste en escribirlos como potencias de die. 5l mundo material se organia en órdenes de magnitud, as% pues se pueden establecer comparaciones de la siguiente manera: 6n sistema material 7 es un orden de magnitud mayor que 8, lo que signifca que 7 es unas die veces mayor que 8. 6n sistema material 7 es dos órdenes de magnitud mayor que 8, es decir, 7 es unas cien veces mayor que 8. •
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6n cuerpo o sistema material es tantos órdenes de magnitud mayor que que otro otro como como indi indica ca el e4po e4pone nent nte e de la pote potenc ncia ia de die die que que resultar%a resultar%a de dividir sus respectivos respectivos tama1os. Tra'%"rma!i"'e e' e$ m&'#" materia$: La e'er0a &ara que un cuerpo o sistema material su+ra trans+ormaciones, tiene que i'tera!!i"'ar con otro. 5l calor trans+erido entre dos cuerpos o sistemas materiales a distinta temperatura temperatura es un ae'te %0i!" capa de producir trans+ormaciones trans+ormaciones en la materia.
9ambios de estados provocados por el agente +%sico calor. Se rea$i2a tra+a3" sobre un cuerpo cuando este se #e)$a2a ba!o la acción de la %&er2a que acta total o parcialmente parcialmente en la dirección del movimiento. 5l !a$"r y el tra+a3" son los agentes +%sicos icos que )r"#&!e' tra'%"rma!i"'e en la materia.
&ara mover el bloque el individuo debe realiar un traba!o sobre "l 6na trans+ormación es cualquier cambio de las propiedades iniciales de un cuerpo o sistema material. &or e!emplo, un cambio de posición, aumento o disminución de la temperatura, de+ormación o cambio de +orma, cambio de volumen, etc. La e'er0a e $a !a)a!i#a# 4&e tie'e' $" !&er)" " itema materia$e #e tra'%erir !a$"r " rea$i2ar &' tra+a3" , de modo que, a medida que un cuerpo o un sistema transferen calor o realia un traba!o su energ%a disminuye. #as diversas +ormas de energ%a que conocemos son las siguientes: E'er0a )"te'!ia$ : es la que tienen los cuerpos cuando están en una posición distinta a la de equilibrio E'er0a !i'5ti!a : es la que tienen los cuerpos por el 0ec0o de moverse a cierta velocidad. E'er0a t5rmi!a: es la que tienen los cuerpos en +unción de su temperatura. E'er0a 4&0mi!a : es la que se desprende o absorbe en las reacciones qu%micas 5n todas las trans+ormaciones de energ%a se cumple el )ri'!i)i" #e !"'er,a!i(' #e $a e'er0a : #a energ%a puede trans+ormarse de unas +ormas en otras o transfere de unos cuerpos a otros, pero, en con!unto, )erma'e!e !"'ta'te. La e'er0a - & %"rma: •
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5nerg%a mecánica: 5s la que poseen los cuerpos por el 0ec0o de moverse a una determinada velocidad 2cin"tica3 o de encontrarse desplaados de su posición 2potencial3. 5nerg%a t"rmica: 5sta energ%a se debe al movimiento de los átomos o mol"culas que componen un cuerpo. #a temperatura es la medida de esta energ%a. 5nerg%a el"ctrica: 5s la que produce por e!emplo una pila o una bater%a de un coc0e. 5nerg%a electromagn"tica: 5s la que transportan las llamadas ondas electromagn"ticas, como la lu, las ondas de radio, y V, las microondas, etc. 5nerg%a interna: 8a!o esta denominación se engloban todas las +ormas de energ%a e4istentes en el interior de un cuerpo. 5nerg%a qu%mica: 5s la energ%a que se desprende o absorbe de las reacciones qu%micas, como, por e!emplo, en una reacción de combustión. 5nerg%a nuclear: 5s la que se genera en los procesos de fsión nuclear 2ruptura del ncleo atómico3 o de +usión nuclear 2unión de dos o más ncleos atómicos3. 6&e'te #e e'er0a '" re'",a+$e. &roceden de recursos e4istentes en la naturalea de +orma limitada. #os más importantes son: #a energ%a obtenida de la combustión de +ósiles 29arbón, petróleo y gas natural3 •
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54tracción petrol%+era #a energ%a nuclear, que utilia la energ%a liberada en las reacciones nucleares para la producción de energ%a el"ctrica o t"rmica. •
5squema de una +ábrica nuclear
6&e'te #e e'er0a re'",a+$e . &roceden de recursos naturales inagotables. 5nerg%a geot"rmica: 7provec0a el calor interno de la ierra y se emplea para generar electricidad o para cale+acción. 5nerg%a 0idráulica: 7provec0a los saltos de agua de las presas de los pantanos para generar energ%a el"ctrica. •
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5nerg%a 0idráulica 5nerg%a solar: Se basa en el aprovec0amiento de la energ%a que nos llega del Sol para trans+ormarla en energ%a el"ctrica o trans+erirla a circuitos de cale+acción o agua caliente. •
5nerg%a Solar 5nerg%a eólica: 7provec0a la +uera de los vientos para 0acer girar las aspas que mueven las turbinas de los generadores de energ%a el"ctrica. •
5nerg%a eólica 5nerg%a mareomotri: ;ace uso del movimiento de las masas de agua que se producen en las subidas y ba!adas de las mareas. •
5nerg%a maremotri •
5nerg%a de la biomasa: 9onsiste +undamentalmente en el aprovec0amiento energ"tico de los residuos naturales 2+orestales, agr%colas,...3 o los derivados de la actividad 0umana 2residuos industriales o urbanos3.
*. ATOMO
6n t"m" es la unidad constituyente más peque1a de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento qu%mico.<'= 9ada sólido, l%quido, gas y plasma se compone de átomos neutros o
ioniados. #os átomos son muy peque1os> los tama1os t%picos son alrededor de '(( pm 2die mil millon"sima parte de un metro3.
disociarse es responsable de la mayor parte de los cambios +%sicos observados en la naturalea y es el tema de la disciplina de la qu%mica. /o toda la materia del universo está compuesta de átomos. #a materia oscura constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos, sino de part%culas de un tipo actualmente desconocido
Part0!&$a &+at(mi!a 7 pesar de que átomo signifca Findivisible, en realidad está +ormado por varias part%culas subatómicas. 5l átomo contiene protones, neutrones y electrones, con la e4cepción del 0idrógeno@', que no contiene neutrones, y del catión 0idrógeno o 0idrón, que no contiene electrones. #os protones y neutrones del átomo se denominan nucleones, por +ormar parte del ncleo atómico. 5l electrón es la part%cula más ligera de cuantas componen el átomo, con una masa de B,'' H '(E' )g. iene una carga el"ctrica negativa, cuya magnitud se defne como la carga el"ctrica elemental, y se ignora si posee subestructura, por lo que se lo considera una part%cula elemental. #os protones tienen una masa de ',JK H '( ?K )g, 'LEJ veces la del electrón, y una carga positiva opuesta a la de este. #os neutrones tienen un masa de ',JB H '( ?K )g, 'LEB veces la del electrón, y no poseen carga el"ctrica. #as masas de ambos nucleones son ligeramente in+eriores dentro del ncleo, debido a la energ%a potencial del mismo> y sus tama1os son similares, con un radio del orden de L H '( 'J m o (,L +emtómetros 2+m3.K 5l protón y el neutrón no son part%culas elementales, sino que constituyen un estado ligado de quar)s u y d, part%culas +undamentales recogidas en el modelo estándar de la +%sica de part%culas, con cargas el"ctricas iguales a M?NE y 'NE respectivamente, respecto de la carga elemental. 6n protón contiene dos quar)s u y un quar) d, mientras que el neutrón contiene dos d y un u, en consonancia con la carga de ambos. #os quar)s se mantienen unidos mediante la +uera nuclear +uerte, mediada por gluones Odel mismo modo que la +uera electromagn"tica está mediada por +otonesO. 7demás de estas, e4isten otras part%culas subatómicas en el modelo estándar: más tipos de quar)s, leptones cargados 2similares al electrón3, etc. E$ '!$e" at(mi!"
#os protones y neutrones de un átomo se encuentran ligados en el ncleo atómico, la parte central del mismo. 5l volumen del ncleo es apro4imadamente proporcional al nmero total de nucleones, el nmero másico A,L lo cual es muc0o menor que el tama1o del átomo, cuyo radio es del orden de '( * +m o ' PngstrQm 2R3. #os nucleones se mantienen unidos mediante la +uera nuclear, que es muc0o más intensa que la +uera electromagn"tica a distancias cortas, lo cual permite vencer la repulsión el"ctrica entre los protones. B #os átomos de un mismo elemento tienen el mismo nmero de protones, que se denomina nmero atómico y se representa por Z . #os átomos de un elemento dado pueden tener distinto nmero de neutrones: se dice entonces que son isótopos. 7mbos nmeros con!untamente determinan el nclido.
5l ncleo atómico puede verse alterado por procesos muy energ"ticos en comparación con las reacciones qu%micas. #os ncleos inestables su+ren desintegraciones que pueden cambiar su nmero de protones y neutrones emitiendo radiación. 6n ncleo pesado puede fsionarse en otros más ligeros en una reacción nuclear o espontáneamente. Aediante una cantidad sufciente de energ%a, dos o más ncleos pueden +usionarse en otro más pesado. 5n átomos con nmero atómico ba!o, los ncleos con una cantidad distinta de protones y neutrones tienden a desintegrarse en ncleos con proporciones más pare!as, más estables. Sin embargo, para valores mayores del nmero atómico, la repulsión mutua de los protones requiere una proporción mayor de neutrones para estabiliar el ncleo.'( N&+e #e e$e!tr"'e
#os cinco primeros orbitales atómicos. #os electrones en el átomo son atra%dos por los protones a trav"s de la +uera electromagn"tica. 5sta +uera los atrapa en un poo de potencial electrostático alrededor del ncleo, lo que 0ace necesaria una +uente de energ%a e4terna para liberarlos. 9uanto más cerca está un electrón del ncleo, mayor es la +uera atractiva, y mayor por tanto la energ%a necesaria para que escape. #os electrones, como otras part%culas, presentan simultáneamente propiedades de part%cula puntual y de onda, y tienden a +ormar un cierto tipo de onda estacionaria alrededor del ncleo, en reposo respecto de este. 9ada una de estas ondas está caracteriada por un orbital atómico, una +unción matemática que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio. 5l con!unto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema cuántico. #a nube de electrones es la región ocupada por estas ondas, visualiada como una densidad de carga negativa alrededor del ncleo. 9ada orbital corresponde a un posible valor de energ%a para los electrones, que se reparten entre ellos. 5l principio de e4clusión de &auli pro0%be que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital. &ueden ocurrir transiciones entre los distintos niveles de energ%a: si un electrón absorbe un +otón con energ%a sufciente, puede saltar a un nivel superior> tambi"n desde un nivel más alto puede acabar en un nivel in+erior, radiando el resto de la energ%a en un +otón. #as energ%as dadas por las di+erencias entre los valores de estos niveles son las que se observan en las l%neas espectrales del átomo. Maa #a mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y neutrones del ncleo. ambi"n contribuyen en una peque1a parte la masa de los electrones, y la energ%a de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia entre masa y energ%a. #a unidad de masa que se utilia 0abitualmente para e4presarla es la unidad de masa atómica 2u3. 5sta se defne como la doceava parte de la masa de un átomo neutro de carbono@'? libre, cuyo ncleo contiene J protones y J neutrones, y equivale a ',JJ H '( ?K )g apro4imadamente. 5n comparación el protón y el neutrón libres tienen una masa de ',((K y ',((B u. #a masa de un átomo es entonces apro4imadamente igual al nmero de nucleones en su
ncleo Oel nmero másicoO multiplicado por la unidad de masa atómica. 5l átomo estable más pesado es el plomo@?(L, con una masa de ?(K,BL u.'' 5n qu%mica se utilia tambi"n el mol como unidad de masa. 6n mol de átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo nmero de estos 2J,(?? H '(?E3, lo cual implica que un mol de átomos de un elemento con masa atómica de ' u pesa apro4imadamente ' gramo. 5n general, un mol de átomos de un cierto elemento pesa de +orma apro4imada tantos gramos como la masa atómica de dic0o elemento.
Tama/"
#os átomos no están delimitados por una +rontera clara, por lo que su tama1o se equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco puede establecerse una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los electrones. 5n la práctica, se defne el radio atómico estimándolo en +unción de algn +enómeno +%sico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre dos ncleos en una mol"cula. #os diversos m"todos e4istentes arro!an valores para el radio atómico de entre (,* y * R. Dentro de la tabla periódica de los elementos, el tama1o de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo O una flaO, para aumentar sbitamente al comieno de uno nuevo, a medida que los electrones ocupan niveles de energ%a más altos. '? #as dimensiones del átomo son miles de veces más peque1as que la longitud de onda de la lu 2C((@K(( nm3 por lo que estos no pueden ser observados utiliando instrumentos ópticos. 5n comparación, el grosor de un cabello 0umano es equivalente a un millón de átomos de carbono. Si una manana +uera del tama1o de la ierra, los átomos en ella ser%an tan grandes como la manana original. 'E Ni,e$e #e e'er0a 6n electrón ligado en el átomo posee una energ%a potencial inversamente proporcional a su distancia al ncleo y de signo negativo, lo que quiere decir que esta aumenta con la distancia. #a magnitud de esta energ%a es la cantidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada 0abitualmente para e4presarla es el electrónvoltio 2eV3. 5n el modelo mecanocuántico solo 0ay un con!unto discreto de estados o niveles en los que un electrón ligado puede encontrarse O es decir, enumerablesO, cada uno con un cierto valor de la energ%a. 5l nivel con el valor más ba!o se denomina el estado +undamental, mientras que el resto se denominan estados e4citados. 9uando un electrón e+ecta una transición entre dos estados distintos, absorbe o emite un +otón, cuya energ%a es precisamente la di+erencia entre los dos niveles. #a energ%a de un +otón es proporcional a su +recuencia, as% que cada transición se corresponde con una banda estrec0a del espectro electromagn"tico denominada l%nea espectral.
6n e!emplo de l%neas de absorción en un espectro 9ada elemento qu%mico posee un espectro de l%neas caracter%stico. 5stas se detectan como l%neas de emisión en la radiación de los átomos del mismo. &or el contrario, si se 0ace pasar radiación con un espectro de +recuencias continuo a trav"s de estos, los +otones con la
energ%a adecuada son absorbidos. 9uando los electrones e4citados decaen más tarde, emiten en direcciones aleatorias, por lo que las +recuencias caracter%sticas se observan como l%neas de absorción oscuras. #as medidas espectroscópicas de la intensidad y anc0ura de estas l%neas permite determinar la composición de una sustancia. 7lgunas l%neas espectrales se presentan muy !untas entre s%, tanto que llegaron a con+undirse con una sola 0istóricamente, 0asta que +ue descubierta su subestructura o estructura fna. #a causa de este +enómeno se encuentra en las diversas correcciones a considerar en la interacción entre los electrones y el ncleo. eniendo en cuenta tan solo la +uera electrostática, ocurre que algunas de las confguraciones electrónicas pueden tener la misma energ%a aun siendo distintas. 5l resto de peque1os e+ectos y +ueras en el sistema electrón@ncleo rompe esta redundancia o degeneración, dando lugar a la estructura fna. 5stos incluyen las correcciones relativistas al movimiento de electrón, la interacción de su momento magn"tico con el campo el"ctrico y con el ncleo, etc. 'C 7demás, en presencia de un campo e4terno los niveles de energ%a se ven modifcados por la interacción del electrón con este, en general produciendo o aumentando la división entre los niveles de energ%a. 5ste +enómeno se conoce como e+ecto Star) en el caso de un campo el"ctrico, y e+ecto eeman en el caso de un campo magn"tico. #as transiciones de un electrón a un nivel superior ocurren en presencia de radiación electromagn"tica e4terna, que provoca la absorción del +otón necesario. Si la +recuencia de dic0a radiación es muy alta, el +otón es muy energ"tico y el electrón puede liberarse, en el llamado e+ecto +otoel"ctrico. #as transiciones a un nivel in+erior pueden ocurrir de manera espontánea, emitiendo la energ%a mediante un +otón saliente> o de manera estimulada, de nuevo en presencia de radiación. 5n este caso, un +otón TentranteU apropiado provoca que el electrón decaiga a un nivel con una di+erencia de energ%a igual a la del +otón entrante. De este modo, se emite un +otón saliente cuya onda asociada está sincroniada con la del primero, y en la misma dirección. 5ste +enómeno es la base del láser. I'tera!!i"'e e$5!tri!a e'tre )r"t"'e - e$e!tr"'e 7ntes del e4perimento de ut0er+ord la comunidad cient%fca aceptaba el modelo atómico de 0omson, situación que varió despu"s de la e4periencia de 5rnest ut0er+ord. #os modelos posteriores se basan en una estructura de los átomos con una masa central cargada positivamente rodeada de una nube de carga negativa. '* 5ste tipo de estructura del átomo llevó a ut0er+ord a proponer su modelo en que los electrones se mover%an alrededor del ncleo en órbitas. 5ste modelo tiene una difcultad proveniente del 0ec0o de que una part%cula cargada acelerada, como ser%a necesario para mantenerse en órbita, radiar%a radiación electromagn"tica, perdiendo energ%a. #as leyes de /eWton, !unto con las ecuaciones de Aa4Well del electromagnetismo aplicadas al átomo de ut0er+ord llevan a que en un tiempo del orden de '( '( s, toda la energ%a del átomo se 0abr%a radiado, con la consiguiente ca%da de los electrones sobre el ncleo.'J EVOLUCION DEL MODELO ATOMICO #a concepción del átomo que se 0a tenido a lo largo de la 0istoria 0a variado de acuerdo a los descubrimientos realiados en el campo de la +%sica y la qu%mica. 7 continuación se 0ará una e4posición de los modelos atómicos propuestos por los cient%fcos de di+erentes "pocas. 7lgunos de ellos son completamente obsoletos para e4plicar los
+enómenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de rese1a 0istórica. M"#e$" #e Da$t"' Xue el primer modelo atómico con bases cient%fcas, +ue +ormulado en 'L(E por Yo0n Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas es+eras. ?? 5ste primer modelo atómico postulaba: #a materia está +ormada por part%culas muy peque1as llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir. #os átomos de un mismo elemento son iguales entre s%, tienen su propio peso y cualidades propias. #os átomos de los di+erentes elementos tienen pesos di+erentes. #os átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las reacciones qu%micas. #os átomos, al combinarse para +ormar compuestos guardan relaciones simples. #os átomos de elementos di+erentes se pueden combinar en proporciones distintas y +ormar más de un compuesto. #os compuestos qu%micos se +orman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Sin embargo desapareció ante el modelo de 0omson ya que no e4plica los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones 2e@3 o protones 2pM3. •
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M"#e$" #e T9"m"'
Aodelo atómico de 0omson. #uego del descubrimiento del electrón en 'LBK por Yosep0 Yo0n 0omson, se determinó que la materia se compon%a de dos partes, una negativa y una positiva. #a parte negativa estaba constituida por electrones, los cuales se encontraban, segn este modelo, inmersos en una masa de carga positiva a manera de pasas en un pastel 2de la analog%a del ingl"s plum-pudding model3 o uvas en gelatina. &osteriormente Yean &errin propuso un modelo modifcado a partir del de 0omson donde las TpasasU 2electrones3 se situaban en la parte e4terior del TpastelU 2la carga positiva3. &ara e4plicar la +ormación de iones, positivos y negativos, y la presencia de los electrones dentro de la estructura atómica, 0omson ideó un átomo parecido a un pastel de +rutas. 6na nube positiva que conten%a las peque1as part%culas negativas 2los electrones3 suspendidos en ella. 5l nmero de cargas negativas era el adecuado para neutraliar la carga positiva. 5n el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura quedar%a positiva> y si ganaba, la carga fnal ser%a negativa. De esta +orma, e4plicaba la +ormación de iones> pero de!ó sin e4plicación la e4istencia de las otras radiaciones. M"#e$" #e R&t9er%"r#
Aodelo atómico de ut0er+ord. 5ste modelo +ue desarrollado por el +%sico 5rnest ut0er+ord a partir de los resultados obtenidos en lo que 0oy se conoce como el e4perimento de ut0er+ord en 'B''. epresenta un avance sobre el modelo de 0omson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa. Sin embargo, a di+erencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un ncleo, el cual tambi"n contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una cortea orbitando al ncleo en órbitas circulares o el%pticas con un espacio vac%o entre ellos. 7 pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más comn del átomo del pblico no cient%fco. ut0er+ord predi!o la e4istencia del neutrón en el a1o 'B?(, por esa raón en el modelo anterior 20omson3, no se 0abla de este. &or desgracia, el modelo atómico de ut0er+ord presentaba varias incongruencias: 9ontradec%a las leyes del electromagnetismo de Yames 9ler) Aa4Well, las cuales estaban muy comprobadas mediante datos e4perimentales. Segn las leyes de Aa4Well, una carga el"ctrica en movimiento 2en este caso el electrón3 deber%a emitir energ%a constantemente en +orma de radiación y llegar%a un momento en que el electrón caer%a sobre el ncleo y la materia se destruir%a. odo ocurrir%a muy brevemente. /o e4plicaba los espectros atómicos. •
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M"#e$" #e "9r
Aodelo atómico de 8o0r. 5ste modelo es estrictamente un modelo del átomo de 0idrógeno tomando como punto de partida el modelo de ut0er+ord. /iels 8o0r trata de incorporar los +enómenos de absorción y emisión de los gases, as% como la nueva teor%a de la cuantiación de la energ%a desarrollada por Aa4 &lanc) y el +enómeno del e+ecto +otoel"ctrico observado por 7lbert 5instein. T5l átomo es un peque1o sistema solar con un ncleo en el centro y electrones movi"ndose alrededor del ncleo en órbitas bien defnidasU. #as órbitas están cuantiadas 2los e@ pueden estar solo en ciertas órbitas3
9ada órbita tiene una energ%a asociada. #a más e4terna es la de mayor energ%a. #os electrones no irradian energ%a 2lu3 mientras permanecan en órbitas estables. #os electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si lo 0ace desde una de menor energ%a a una de mayor energ%a absorbe un cuanto de energ%a 2una cantidad3 igual a la di+erencia de energ%a asociada a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de menor, pierde energ%a en +orma de radiación 2lu3. 5l mayor "4ito de 8o0r +ue dar la e4plicación al espectro de emisión del 0idrógeno, pero solo la lu de este elemento proporciona una base para el carácter cuántico de la lu, el +otón es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un pulso de energ%a radiada. 8o0r no pudo e4plicar la e4istencia de órbitas estables y para la condición de cuantiación. 8o0r encontró que el momento angular del electrón es 0N?Z por un m"todo que no puede !ustifcar. M"#e$" #e ;"mmer%e$#< •
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[rbitas el%pticas en el modelo de Sommer+eld. 5l modelo atómico de 8o0r +uncionaba muy bien para el t"m" de 0idrógeno, sin embargo, en los espectros realiados para átomos de otros elementos se observaba que electrones de un mismo nivel energ"tico ten%an distinta energ%a, mostrando que e4ist%a un error en el modelo. Su conclusión +ue que dentro de un mismo nivel energ"tico e4ist%an subniveles, es decir, energ%as ligeramente di+erentes. 7demás desde el punto de vista teórico, Sommer+eld 0ab%a encontrado que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanaban una +racción apreciable de la velocidad de la lu. Sommer+eld estudió la cuestión para electrones relativistas. 5l +%sico alemán fnalmente 7rnold Sommer+eld, con la ayuda de la eor%a de la relatividad de 7lbert 5instein, 0io las siguientes modifcaciones del modelo de 8o0r: '. #os electrones se mueven alrededor del ncleo, en órbitas circulares o el%pticas. ?. 7 partir del segundo nivel energ"tico e4isten dos o más subniveles en el mismo nivel. E. 5l electrón es una corriente el"ctrica minscula. 5n consecuencia, el modelo atómico de Sommer+eld es una generaliación del modelo atómico de 8o0r desde el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las +ormas de emisión de las órbitas el%pticas, solo descartó su +orma circular. M"#e$" #e ;!9r=#i'er
Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energ%a. Despu"s de que #ouis@Victor de 8roglie propuso la naturalea ondulatoria de la materia en 'B?C, la cual +ue generaliada por 5rWin Sc0rQdinger en 'B?J, se actualió nuevamente el modelo del átomo. 5n el modelo de Sc0rQdinger se abandona la concepción de los electrones como es+eras diminutas con carga que giran en torno al ncleo, que es una e4trapolación de la e4periencia a nivel macroscópico 0acia las diminutas dimensiones del átomo. 5n ve de esto, Sc0rQdinger describe a los electrones por medio de una +unción de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. 5sta ona de probabilidad se conoce como orbital. #a gráfca siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energ%a disponibles en el átomo de 0idrógeno. M"#e$" #e Dira! 5l modelo de Dirac usa supuestos muy similares al modelo de Sc0rQdinger aunque su punto de partida es una ecuación relativista para la +unción de onda, la ecuación de Dirac. 5l modelo de Dirac permite incorporar de manera más natural el esp%n del electrón. &redice niveles energ"ticos similares al modelo de Sc0rQdinger proporcionando las correcciones relativistas adecuadas. M"#e$" )"teri"re ras el establecimiento de la ecuación de Dirac, la teor%a cuántica evolucionó 0asta convertirse propiamente en una teor%a cuántica de campos. #os modelos surgidos a partir de los a1os 'BJ( y 'BK( permitieron construir teor%as de las interacciones de los nucleones. #a vie!a teor%a atómica quedó confnada a la e4plicación de la estructura electrónica que sigue siendo e4plicada de manera adecuada mediante el modelo de Dirac complementado con correcciones surgidas de la electrodinámica cuántica. Debido a la complicación de las interacciones +uertes solo e4isten modelos apro4imados de la estructura del ncleo atómico. 5ntre los modelos que tratan de dar cuenta de la estructura del ncleo atómico están el modelo de la gota l%quida y el modelo de capas. &osteriormente, a partir de los a1os 'BJ( y 'BK(, aparecieron evidencias e4perimentales y modelos teóricos que suger%an que los propios nucleones 2neutrones, protones3 y mesones 2piones3 que constituyen el ncleo atómico estar%an +ormados por constituyentes +ermiónicos más elementales denominados quar)s. #a interacción +uerte entre quar)s entra1a problemas matemáticos complicados, algunos an no resueltos de manera e4acta. 5n cualquier caso lo que se conoce 0oy en d%a de!a claro que la estructura del ncleo atómico y de las propias part%culas que +orman el ncleo son muc0o más
complicadas que la estructura electrónica de los átomos. Dado que las propiedades qu%micas dependen e4clusivamente de las propiedades de la estructura electrónica, se considera que las teor%as actuales e4plican satis+actoriamente las propiedades qu%micas de la materia, cuyo estudio +ue el origen del estudio de la estructura atómica. PARTICULA ;UATOMICA 6na )art0!&$a &+at(mi!a es una part%cula más peque1a que el átomo. &uede ser una part%cula elemental o una compuesta, a su ve, por otras part%culas subatómicas, como son los quar)s, que componen los protones y neutrones. /o obstante, e4isten otras part%culas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y bosones. #a mayor%a de las part%culas elementales que se 0an descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la ierra, generalmente porque son inestables 2se descomponen en part%culas ya conocidas3, o bien, son di+%ciles de producir de todas maneras. 5stas part%culas, tanto estables como inestables, se producen al aar por la acción de los rayos cósmicos al c0ocar con átomos de la atmós+era, y en los procesos que se dan en los aceleradores de part%culas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se 0an descubierto docenas de part%culas subatómicas, y se teorian cientos de otras más. 5!emplos de part%cula teórica es el gravitón> sin embargo, esta y muc0as otras no 0an sido observadas en aceleradores de part%culas modernos, ni en condiciones naturales en la atmós+era 2por la acción de rayos cósmicos3. 9omo part%culas subatómicas, se clasifcan tambi"n las part%culas virtuales, que son part%culas que representan un paso intermedio en la desintegración de una part%cula inestable, y por tanto, duran muy poco tiempo. #os primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de part%culas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Aás adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran part%culas compuestas. 7demás el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las part%culas comporta que la co0esión del átomo requiere otras part%culas bosónicas como los piones, gluones o +otones. #os protones y neutrones por su parte están constituidos por quar)s. 7s% un protón está +ormado por dos quar)s arriba y un quar) aba!o. #os quar)s se unen mediante part%culas llamadas gluones. 54isten seis tipos di+erentes de quar)s 27rriba, 7ba!o, Xondo, 9ima, 54tra1o y 5ncanto3. #os protones se mantienen unidos a los neutrones por el e+ecto de los piones, que son mesones compuestos +ormados por pare!as de quar) y antiquar) 2a su ve unidos por gluones3. 54isten tambi"n otras part%culas elementales que son responsables de las +ueras electromagn"tica 2los +otones3 y d"bil 2los neutrinos y los bosones \ y 3. #os electrones, que están cargados con carga negativa, tienen una masa 'N'LEJ de la del átomo de 0idrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. 5l nmero atómico de un elemento es el nmero de protones 2o el de electrones si el elemento es neutro3. #os neutrones por su parte son part%culas neutras con una masa muy similar a la del protón. #os distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo nmero de protones pero distinto nmero de neutrones. 5l nmero másico de un elemento es el nmero total de protones más neutrones que posee en su ncleo.
#as propiedades más interesantes de las tres part%culas estables constituyentes de la materia e4istente en el universo son: Pr"t(' : Se encuentra en el ncleo. Su masa es de ',J]'( @?K )g.' iene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. 5l nmero atómico de un elemento indica el nmero de protones que tiene en el ncleo. &or e!emplo el ncleo del átomo de 0idrógeno contiene un nico protón, por lo que su nmero atómico 23 es '. E$e!tr(': Se encuentra en la cortea. Su masa apro4imadamente es de B,']'(@E' )g. iene carga el"ctrica negativa 2@'.J(?]'(@'B 93.? Ne&tr(': Se encuentra en el ncleo. Su masa es casi igual que la del protón. /o posee carga el"ctrica. 5l concepto de la part%cula elemental es 0oy algo más oscuro debido a la e4istencia de cuasipart%cula que si bien no pueden ser detectadas por un detector constituyen estados cuánticos cuya descripción +enomenológica es muy similar a la de una part%cula real. •
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>. CON6IGURACION ELECTRONICA 5n +%sica y qu%mica, la !"'&ra!i(' e$e!tr('i!a indica la manera en la cual los electrones se estructuran o se modifcan en un átomo de acuerdo con el modelo de capas electrónicas, en el cuál las +unciones de ondas del sistema se e4presa como un producto de orbitales antisimetriadas.' ? #a confguración electrónica es importante porque determina las propiedades de combinación qu%mica de los átomos y por tanto su posición en la tabla periódica. Orie' 9it(ri!" /iels 8o0r +ue el primero en proponer 2'B?E3 que la periodicidad en las propiedades de los elementos se pod%a e4plicar mediante la estructura electrónica del átomo.* Su propuesta se basó en el modelo atómico de 8o0r para el átomo, en el cual las capas electrónicas eran órbitas electrónicas a distancias f!as al ncleo. #as confguraciones originales de 8o0r 0oy parecen e4tra1as para el qu%mico: al au+re se le asignaba una confguración ?.C.C.J en ve de 's ? ?s? ?pJ Es? EpC. 6n a1o despu"s, 5. 9. Stoner incorpora el tercer nmero cuántico de la teor%a de Sommer+eld en la descripción de las capas electrónicas, y predice correctamente la estructura de capas del au+re como ?.L.J. J Sin embargo, ni el sistema de 8o0r ni el de Stoner pod%an describir correctamente los cambios del espectro atómico en un campo magn"tico 2e+ecto eeman3. <'= Ditri+&!i(' e$e!tr('i!a
5s la distribución de los electrones en los subniveles y orbitales de un átomo. #a confguración electrónica de los elementos se rige segn el diagrama de Aoeller: &ara comprender el diagrama de Aoeller se utilia la siguiente tabla: ) # % '?1 's '?* ?s ?p '?> Es Ep Ed '?@ Cs Cp Cd C+ '? *s *p *d *+ '?B Js Jp Jd '?7 Ks Kp &ara encontrar la distribución electrónica se escriben las notaciones en +orma diagonal desde arriba 0acia aba!o y de derec0a a iquierda 2seguir colores3: 's ?s ?p Es Ep Cs Ed Cp *s Cd *p Js C+ *d Jp Ks *+ Jd Kp 5ste )ri'!i)i" #e !"'tr&!!i(' 2denominado principio de 7u+bau, del alemán Aufbau que signifca ^construcción^3 +ue una parte importante del concepto original de 8o0r de confguración electrónica. &uede +ormularse como: K sólo se pueden ocupar los orbitales con un máximo de dos electrones, en orden creciente de energía orbital: los orbitales de menor energía se llenan antes que los de mayor energía. 7s%, vemos que se puede utiliar el orden de energ%as de los orbitales para describir la estructura electrónica de los átomos de los elementos. 6n subnivel s se puede llenar con ' o ? electrones. 5l subnivel p puede contener de ' a J electrones> el subnivel d de ' a '( electrones y el subnivel + de ' a 'C electrones. 70ora es posible describir la estructura electrónica de los átomos estableciendo el subnivel o distribución orbital de los electrones. #os electrones se colocan primero en los subniveles de menor energ%a y cuando estos están completamente ocupados, se usa el siguiente subnivel de energ%a superior. 5sto puede representarse por la siguiente tabla: ) # % '?1 ? '?* ? J '?> ? J '( '?@ ? J '( 'C '? ? J '( 'C '?B ? J '( '?7 ? J &ara encontrar la confguración electrónica se usa el mismo procedimiento anterior incluyendo esta ve el nmero má4imo de electrones para cada orbital. 's? ?s? ?pJ Es? EpJ Cs? Ed'( CpJ *s? Cd'( *pJ Js? C+ 'C *d'( JpJ Ks? *+ 'C Jd'( KpJ Xinalmente la confguración queda de la siguiente manera: 1* ** *)B >* >)B @* >#1 @)B * @#1 )B B* @% 1@ #1 B)B 7* % 1@ B#1 7)B &ara determinar la confguración electrónica de un elemento, basta con calcular cuántos electrones 0ay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empeando por los de menor energ%a e ir llenando 0asta que todos los electrones est"n distribuidos. 6n
elemento con nmero atómico mayor tiene un electrón más que el elemento que lo precede. 5l subnivel de energ%a aumenta de esta manera: ;&+'i,e$ ) # " %: 7umenta el nivel de energ%a. Sin embargo, e4isten e4cepciones, como ocurre en los elementos de transición al ubicarnos en los grupos del cromo y del cobre, en los que se promueve el electrón dando as% una confguración +uera de lo comn. •
$"4&e #e $a ta+$a )eri(#i!a #a +orma de la tabla periódica está %ntimamente relacionada con la confguración electrónica de los átomos de los elementos. &or e!emplo, todos los elementos del grupo ' tienen una confguración de <5= ns' 2donde <5= es la confguración del gas inerte correspondiente3, y tienen una gran seme!ana en sus propiedades qu%micas. #a capa electrónica más e4terna se denomina _capa de valencia_ y 2en una primera apro4imación3 determina las propiedades qu%micas. 9onviene recordar que el 0ec0o de que las propiedades qu%micas eran similares para los elementos de un grupo +ue descubierto 0ace más de un siglo, antes incluso de aparecer la idea de confguración electrónica. L /o está claro cómo explica la regla de Aadelung 2que más bien describe3 la tabla periódica,B ya que algunas propiedades 2tales como el estado de o4idación M? en la primera fla de los metales de transición3 ser%an di+erentes con un orden de llenado de orbitales distinto. Re$a #e e!$&i(' #e Pa&$i 5sta regla nos dice que en un estado cuántico solo puede 0aber un electrón. De aqu% salen los valores del esp%n o giro de los electrones que es 'N? y con proyecciones . ambi"n que en una orientación deben caber dos electrones e4cepto cuando el nmero de electrones se 0a acabado, por lo cual el orden que debe seguir este ordenamiento en cada nivel es primero los de esp%n positivo 2M'N?3 y luego los negativos. 5l principio de e4clusión de &auli +ue un principio cuántico enunciado por \ol+gang 5rnst &auli en 'B?*. 5stablece que no puede 0aber dos +ermiones con todos sus nmeros cuánticos id"nticos 2esto es, en el mismo estado cuántico de part%cula individual3. &erdió la categor%a de principio, pues deriva de supuestos más generales: de 0ec0o, es una consecuencia del teorema de la estad%stica del spin. 5l principio de e4clusión de &auli sólo se aplica a +ermiones, esto es, part%culas que +orman estados cuánticos antisim"tricos y que tienen esp%n semientero. Son +ermiones, por e!emplo, los protones, los neutrones y los electrones, los tres tipos de part%culas subatómicas que constituyen la materia ordinaria. 5l principio de e4clusión de &auli rige, as% pues, muc0as de las caracter%sticas distintivas de la materia. 5n cambio, part%culas como el +otón y el 20ipot"tico3 gravitón no obedecen a este principio, ya que son bosones, esto es, +orman estados cuánticos sim"tricos y tienen esp%n entero. 9omo consecuencia, una multitud de +otones puede estar en un mismo estado cuántico de part%cula, como en los láseres. _Dos electrones en la cortea de un átomo no pueden tener al mismo tiempo los mismos nmeros cuánticos_. 5s sencillo derivar el principio de &auli, basándonos en el art%culo de part%culas id"nticas. #os +ermiones de la misma especie +orman sistemas con estados totalmente antisim"tricos, lo que para el caso de dos part%culas signifca que: mismo estado cuántico `, el estado del sistema completo es `.
Re$a #e$ "!tet" &ara que un átomo sea estable debe tener todos sus orbitales llenos 2cada orbital con dos electrones, uno de esp%n M y otro de esp%n @3 &or e!emplo, el o4%geno, que tiene confguración electrónica 's, ?s, ?pC, debe llegar a la confguración 's, ?s, ?p J con la cual los niveles ' y ? estar%an llenos. ecordemos que la egla del octeto, !ustamente establece que el nivel electrónico se completa con L electrones, e4cepto el 0idrógeno, que se completa con ? electrones. 5ntonces el o4%geno tendrá la tendencia a ganar los ? electrones que le +altan, por esto se combina con ? átomos de 0idrógeno 2en el caso del agua, por e!emplo3, que cada uno necesita ' electrón 2el cual recibe del o4%geno3 y otorga a dic0o átomo ' electrón cada uno. De este modo, cada 0idrógeno completó el nivel ' y el o4%geno completó el nivel ?. 5n qu%mica se denomina orbital a la ona del espacio que rodea a un ncleo atómico donde la probabilidad de encontrar un electrón es má4ima, cercana al B'. 5!emplo de ello: '(/e: 's ?, ?s?, ?pJ regla del octeto: ''/a:2/e3'(, 's?, ?s?, ?pJ, Es' A'"ma$0a #e !"'&ra!i(' e$e!tr('i!a 7l desarrollar la confguración electrónica, encontramos una serie de e4cepciones. &or e!emplo, es más estable llenar dos medios orbitales que completar uno y de!ar el otro a uno o dos electrones de estar completado a la mitad. 7s%, los metales del grupo J en ve de tener los orbitales e4ternos s completos y el orbital d a un electrón de estar semi@completo, donarán un electrón del orbital s al orbital d, quedando ambos completos a la mitad: s'd* en ve de s?dC. Igualmente, es más estable rellenar los orbitales d completamente, por lo que los elementos del grupo '' tenderán a adoptar la confguración s'd'( en ve de s ?dB. 5!emplos de estas anomal%as son: Grupo !": Or+ita$ " REEMPE 5n qu%mica se usa la e4presión 55A&5 para designar el valor esperado de un operador densidad de estados de dos electrones con . 5n otras palabras: la región donde e4iste mayor posibilidad de encontrar como má4imo ? electrones que se mueven en +orma paralela y en sentidos contrarios. Su nombre proviene de #egión de $spacio $nerg"tico de %ani+estación &robabil%stica del $lectrón. Va$e'!ia es el nmero de electrones que tiene un elemento en su ltimo nivel de energ%a. 5stos electrones son los que pone en !uego durante una reacción qu%mica o para establecer un enlace con otro elemento. ;ay elementos con más de una valencia, por ello se reemplaa a este concepto con el de nmeros de o4idación que a fn de cuentas representa lo mismo. 7 trav"s del siglo , el concepto de valencia 0a evolucionado en un amplio rango de apro4imaciones para describir el enlace qu%mico, incluyendo la estructura de #eWis 2'B'J3, la teor%a del enlace de valencia 2'B?K3, la teor%a de los orbitales moleculares 2'B?L3, la teor%a de repulsión de pares electrónicos de la capa de valencia 2'B*L3 y todos los m"todos avanados de qu%mica cuántica. #os compuestos qu%micos son el"ctricamente neutros, e4cepto los iones cuando los consideramos separadamente. 5s decir, la carga que aporten todos los átomos de un compuesto tiene que ser globalmente nula, debemos tener en un compuesto tantas cargas positivas como negativas. especto a los iones, se dice que quedan con carga residual. 5n qu%mica, el eta#" #e "i#a!i(' 253 es indicador del grado de o4idación de un átomo que +orma parte de un compuesto u otra especie qu%mica. Xormalmente, es la carga el"ctrica 0ipot"tica que el
átomo tendr%a si todos sus enlaces o elementos distintos +ueran '(( iónicos. 5l 5 es representado por nmeros, los cuales pueden ser positivos, negativos o cero. 5n algunos casos, el estado de o4idación promedio de un elemento es una +racción, tal como MLNE para el 0ierro en la magnetita 2XeEC3. 5l mayor 5 conocido es ML para los tetro4idos de rutenio, 4enón, osmio, iridio, 0assio y algunos comple!os de plutonios, mientras que el menor 5 conocido es @C para algunos elementos del grupo del carbono 2elementos del grupo 'C3. #a o4idación se da cuando un elemento o compuesto pierde uno o más electrones. Generalmente, cuando una sustancia se o4ida 2pierde electrones3, otra sustancia recibe o capta dic0os electrones reduci"ndose. 5ste es el mecanismo básico que promueve las reacciones de ó4ido@reducción o redo4.
5n un enlace covalente apolar ambos átomos comparten el par de electrones para cumplir la regla del octeto, no obstante el de mayor electronegatividad @en este caso el carbono@ los atrae más +uertemente y se recibe una carga parcial negativa 2@3> por el contrario, el otro átomo @el 0idrógeno@ está más ale!ado del par de electrones y se carga parcialmente de +orma positiva 2M3. 5l 5 busca cuantifcar y e4plicar esta interacción: el carbono tiene un 5D de @C y cada 0idrógeno M' y al sumarlos da la carga de la mol"cula 2(3. 6n átomo tiende a obedecer la regla del octeto para as% tener una confguración electrónica igual a la de los gases nobles, los cuales son muy estables el"ctricamente. Dic0a regla sostiene que un átomo tiende a tener oc0o electrones en su nivel de energ%a más e4terno. 5n el caso del 0idrógeno este tiende a tener ? electrones, lo cual proporciona la misma confguración electrónica que la del 0elio. 9uando un átomo A necesita, por e!emplo, E electrones para obedecer la regla del octeto, entonces dic0o átomo tiene un nmero de o4idación de @E. &or otro lado, cuando un átomo " tiene los E electrones que deben ser cedidos para que el átomo 7 cumpla la ley del octeto, entonces este átomo tiene un nmero de o4idación de EM. 5n este e!emplo podemos deducir que los átomos 7 y 8 pueden unirse para +ormar un compuesto, y que esto depende de las interacciones entre ellos. #a regla del octeto y del dueto pueden ser satis+ec0as compartiendo electrones 2+ormando mol"culas3 o cediendo y adquiriendo electrones 2+ormando compuestos de iones3. #os elementos qu%micos se dividen en E grandes grupos, clasifcados por el tipo de carga el"ctrica que adquieren al participar en una reacción qu%mica: Aetales /o metales • •
Gases nobles 54isten elementos metálicos que, dependiendo de las condiciones a que sean sometidos, pueden +uncionar como metales o no metales indistintamente. 7 estos elementos se les denomina metaloides. #os elementos metálicos 2los cuales ceden electrones3 cuando +orman compuestos tienen nicamente estados de o4idación positivos. #os elementos no metálicos y semimetálicos, en cambio, pueden tener estado de o4idación positivos y negativos, dependiendo del compuesto que est"n constituyendo. •
#a ta+$a )eri(#i!a #e $" e$eme't" clasifca, organia y distribuye los distintos elementos qu%micos con+orme a sus propiedades y caracter%sticas> su +unción principal es establecer un orden espec%fco agrupando elementos. Suele atribuirse la tabla a Dmitri Aendel"yev, quien ordenó los elementos basándose en sus propiedades qu%micas,<'= si bien Yulius #ot0ar Aeyer, traba!ando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades +%sicas de los átomos. @ B 7 8 F 1 11 1* 1> 1@ 1 I II III IV V VI VII VII VII VII II III IV V I A A I I I A A A Peri" #" ' 1 H E C * J K * Li e C N '' '? 'E 'C '* > N M A$ ;i P a ?* ?J ?K ?L ?B E( E' E? EE 'B ?( ?' ?? ?E ?C @ M Ca ;! Ti V Cr ' 6e C" Ni C& Z' Ga Ge A EK EL EB C( C' C? CE CC C* CJ CK CL CB *( *' R ;r Y Zr N+ M"T! R& R9 P# A C# I' ;' ;+ + ** *K@ B C *J K' K? KE KC K* KJ KK KL KB L( L' L? LE a H% Ta J Re O Ir Pt A& H T$ P+ i LB@ '' '' '( '( '( '( '( '( '' '' '' '' LK LL '( E * 7 C * J K L B ( ' ? C 6r Ra E U& U& R% D+ ; 9 H Mt D R C' 6$ t )
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&ara una versión detallada con 0iperte4to consltese 7ne4o:abla periódica. Hit"ria TALA PERIODICA N"!i(' #e e$eme't" - )r")ie#a#e )eri(#i!a #ógicamente, un requisito previo necesario a la construcción de la tabla periódica era el descubrimiento de un nmero sufciente de elementos individuales, que 0iciera posible encontrar alguna pauta en
comportamiento qu%mico y sus propiedades. Durante los siguientes dos siglos se +ue adquiriendo un mayor conocimiento sobre estas propiedades, as% como descubriendo muc0os elementos nuevos. #a palabra _elemento_ procede de la ciencia griega, pero su noción moderna apareció a lo largo del siglo VII, aunque no e4iste un consenso claro respecto al proceso que condu!o a su consolidación y uso generaliado. 7lgunos autores citan como precedente la +rase de obert 8oyle en su +amosa obra $l químico esc'ptico, donde denomina elementos _ciertos cuerpos primiti(os y simples que no están formados por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se componen inmediatamente y en que se resuel(en en )ltimo t'rmino todos los cuerpos perfectamente mixtos_. 5n realidad, esa +rase aparece en el conte4to de la cr%tica de obert 8oyle a los cuatro elementos aristot"licos. 7 lo largo del siglo VIII, las tablas de afnidad recogieron un nuevo modo de entender la composición qu%mica, que aparece claramente e4puesto por #avoisier en su obra *ratado elemental de química. odo ello condu!o a di+erenciar en primer lugar qu" sustancias de las conocidas 0asta ese momento eran elementos qu%micos, cuáles eran sus propiedades y cómo aislarlas. 5l descubrimiento de gran cantidad de elementos nuevos, as% como el estudio de sus propiedades, pusieron de manifesto algunas seme!anas entre ellos, lo que aumentó el inter"s de los qu%micos por buscar algn tipo de clasifcación. L" )e" at(mi!" 7 principios del siglo I, Yo0n Dalton 2'KJJ'LCC3 desarrolló una concepción nueva del atomismo, a la que llegó gracias a sus estudios meteorológicos y de los gases de la atmós+era. Su principal aportación consistió en la +ormulación de un _atomismo qu%mico_ que permit%a integrar la nueva defnición de elemento realiada por 7ntoine #avoisier 2'KCE'KBC3 y las leyes ponderales de la qu%mica 2proporciones defnidas, proporciones mltiples, proporciones rec%procas3. Dalton empleó los conocimientos sobre proporciones en las que reaccionaban las sustancias de su "poca y realió algunas suposiciones sobre el modo como se combinaban los átomos de las mismas. 5stableció como unidad de re+erencia la masa de un átomo de 0idrógeno 2aunque se sugirieron otros en esos a1os3 y refrió el resto de los valores a esta unidad, por lo que pudo construir un sistema de masas atómicas relativas. &or e!emplo, en el caso del o4%geno, Dalton partió de la suposición de que el agua era un compuesto binario, +ormado por un átomo de 0idrógeno y otro de o4%geno. /o ten%a ningn modo de comprobar este punto, por lo que tuvo que aceptar esta posibilidad como una 0ipótesis a priori. Dalton sab%a que una parte de 0idrógeno se combinaba con siete partes 2oc0o, afrmar%amos en la actualidad3 de o4%geno para producir agua. &or lo tanto, si la combinación se produc%a átomo a átomo, es decir, un átomo de 0idrógeno se combinaba con un átomo de o4%geno, la relación entre las masas de estos átomos deb%a ser ':K 2o ':L se calcular%a en la actualidad3. 5l resultado +ue la primera tabla de masas atómicas relativas 2o pesos atómicos, como los llamaba Dalton3, que +ue posteriormente modifcada y desarrollada en los a1os posteriores. #as ine4actitudes antes mencionadas dieron lugar a toda una serie de pol"micas y disparidades respecto a las +órmulas y los pesos atómicos, que solo comenar%an a superarse, aunque no totalmente, en el congreso de jarlsru0e en 'LJ(. Meta$e '" meta$e meta$"i#e - meta$e #e tra'i!i(' #a primera clasifcación de elementos conocida +ue propuesta por 7ntoine #avoisier, quien propuso que los elementos se clasifcaran en
metales, no metales y metaloides o metales de transición. 7unque muy práctica y todav%a +uncional en la tabla periódica moderna, +ue rec0aada debido a que 0ab%a muc0as di+erencias tanto en las propiedades +%sicas como en las qu%micas. Tr0a#a #e D=+erei'er 6no de los primeros intentos para agrupar los elementos de propiedades análogas y relacionarlo con los pesos atómicos se debe al qu%mico alemán Yo0ann \ol+gang DQbereiner 2'KL('LCB3 quien en 'L'K puso de manifesto el notable parecido que e4ist%a entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variación gradual del primero al ltimo. &osteriormente 2'L?K3 se1aló la e4istencia de otros Tr0a#a #e D=+erei'er grupos de tres #i9l Ca$!i" 9a9l? A2&%re ;?S elementos en los que Liti" #i; 9aSC S? se daba la misma relación 2cloro, bromo /a9l Etr"'!i Sr9l? ;e$e'i ;?Se ;"#i" y yodo> au+re, /a; " SrSC " Se? selenio y telurio> litio, 8a9l? Te$&ri" ;? e P"tai" j9l ari" sodio y potasio3. j; 8aSC e? 7 estos grupos de tres elementos se los denominó tr0a#a y 0acia 'L*( ya se 0ab%an encontrado unas ?(, lo que indicaba una cierta regularidad entre los elementos qu%micos. DQbereiner intentó relacionar las propiedades qu%micas de estos elementos 2y de sus compuestos3 con los pesos atómicos, observando una gran analog%a entre ellos, y una variación gradual del primero al ltimo. 5n su clasifcación de las tr%adas 2agrupación de tres elementos3 DQbereiner e4plicaba que el peso atómico promedio de los pesos de los elementos e4tremos, es parecido al peso atómico del elemento de en medio. &or e!emplo, para la tr%ada 9loro, 8romo, kodo los pesos atómicos son respectivamente EJ, L( y '?K> si sumamos EJ M '?K y dividimos entre dos, obtenemos L', que es apro4imadamente L( y si le damos un vistao a nuestra tabla periódica el elemento con el peso atómico apro4imado a L( es el bromo lo cual 0ace que concuerde un aparente ordenamiento de tr%adas. C9a'!"&rt"i 7rt%culo principal: Alexandre-$mile "'guyer de +ancourtois 5n 'LJC, 90ancourtois construyó una 0"lice de papel, en la que estaban ordenados por pesos atómicos 2masa atómica3 los elementos conocidos, arrollada sobre un cilindro vertical. Se encontraba que los puntos correspondientes estaban separados unas 'J unidades. #os elementos similares estaban prácticamente sobre la misma generatri, lo que indicaba una cierta periodicidad, pero su diagrama pareció muy complicado y recibió poca atención. Le- #e $a "!ta,a #e Ne$a'# 7rt%culo principal: on Alexander #eina e/lands 5n 'LJC, el qu%mico ingl"s Yo0n 7le4ander eina /eWlands comunicó al oyal 9ollege o+ 90emistry 2eal 9olegio de u%mica3 su observación de que al ordenar los elementos en orden creciente de sus pesos atómicos 2prescindiendo del 0idrógeno3, el octavo elemento a partir de cualquier otro ten%a unas propiedades muy similares al primero. 5n esta "poca, los llamados gases nobles no 0ab%an sido an descubiertos.
Le- #e $a "!ta,a #e Ne$a'# 1 * > @ B 7 Li e C N O 6 B,( 5sta ley mostraba una J,B '(,L '?,( 'C,( 'J,( 'B,( cierta ordenación de los M A$ elementos en %ami$ia Na ;i P ; C$ ?E,( ?C,E r&)", con propiedades ?K,( ?L,' E',( E?,' E*,* muy parecidas entre s% y en Ca )eri"#", +ormados por oc0o elementos cuyas EB,( C(,( propiedades iban variando progresivamente. 5l nombre de octavas se basa en la intención de /eWlands de relacionar estas propiedades con la que e4iste en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de ley de las octavas. 9omo a partir del calcio de!aba de cumplirse esta regla, esta ordenación no +ue apreciada por la comunidad cient%fca que lo menospreció y ridiculió, 0asta que ?E a1os más tarde +ue reconocido por la oyal Society, que concedió a /eWlands su más alta condecoración, la medalla Davy. Ta+$a )eri(#i!a #e Me'#e$5-e, 7rt%culo principal: *abla periódica de %endel'ye( 5n 'LJB, el ruso Dmitri Ivánovic0 Aendel"yev publicó su primera abla &eriódica en 7lemania. 6n a1o despu"s lo 0io Yulius #ot0ar Aeyer, que basó su clasifcación periódica en la periodicidad de los volmenes atómicos en +unción de la masa atómica de los elementos. J &or "sta +ec0a ya eran conocidos JE elementos de los B( que e4isten en la naturalea. #a clasifcación la llevaron a cabo los dos qu%micos de acuerdo con los criterios siguientes: 9olocaron los elementos por orden creciente de sus masas atómicas. #os agruparon en flas o periodos de distinta longitud. Situaron en el mismo grupo elementos que ten%an propiedades qu%micas similares, como la valencia. •
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Ta+$a #e Me'#e$5-e, )&+$i!a#a e' 187*. E' e$$a #e3a !ai$$a $i+re )ara e$eme't" )"r #e!&+rir. #a primera clasifcación periódica de Aendel"yev no tuvo buena acogida al principio. Despu"s de varias modifcaciones publicó en el a1o 'LK? una nueva abla &eriódica constituida por oc0o columnas desdobladas en dos grupos cada una, que al cabo de los a1os se llamaron +amilia 7 y 8. 5n su nueva tabla consigna las +órmulas generales de los 0idruros y ó4idos de cada grupo y por tanto, impl%citamente, las valencias de esos elementos. 5sta tabla +ue completada a fnales del siglo I con un grupo más, el grupo cero, constituido por los gases nobles descubiertos durante esos a1os en el aire. 5l qu%mico ruso no aceptó en principio tal descubrimiento, ya que esos elementos no ten%an cabida en su tabla. &ero cuando, debido a su inactividad qu%mica 2valencia cero3, se les asignó el grupo cero, la abla &eriódica quedó más completa.
5l gran m"rito de Aendel"yev consistió en pronosticar la e4istencia de elementos. De!ó casillas vac%as para situar en ellas los elementos cuyo descubrimiento se realiar%a a1os despu"s. Incluso pronosticó las propiedades de algunos de ellos: el galio 2Ga3, al que llamó e)a aluminio por estar situado deba!o del aluminio> el germanio 2Ge3, al que llamó e)asilicio> el escandio 2Sc3> y el tecnecio 2c3, que, aislado qu%micamente a partir de restos de un sincrotrón en 'BEK, se convirtió en el primer elemento producido de +orma predominantemente artifcial. N"!i(' #e 'mer" at(mi!" - me!'i!a !&'ti!a #a tabla periódica de Aendel"yev presentaba ciertas irregularidades y problemas. 5n las d"cadas posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las _tierras raras_ y los elementos radioactivos. tro problema adicional eran las irregularidades que e4ist%an para compaginar el criterio de ordenación por peso atómico creciente y la agrupación por +amilias con propiedades qu%micas comunes. 5!emplos de esta difcultad se encuentran en las pare!as telurioyodo, argónpotasio y cobalto n%quel, en las que se 0ace necesario alterar el criterio de pesos atómicos crecientes en +avor de la agrupación en +amilias con propiedades qu%micas seme!antes. Durante algn tiempo, esta cuestión no pudo resolverse satis+actoriamente 0asta que ;enry Aoseley 2'LJK'B'B3 realió un estudio sobre los espectros de rayos en 'B'E. Aoseley comprobó que al representar la ra% cuadrada de la +recuencia de la radiación en +unción del nmero de orden en el sistema periódico se obten%a una recta, lo cual permit%a pensar que este orden no era casual sino re$e!o de alguna propiedad de la estructura atómica. ;oy sabemos que esa propiedad es el nmero atómico 23 o nmero de cargas positivas del ncleo. #a e4plicación que aceptamos actualmente de la _ley periódica_ descubierta por los qu%micos de mediados del siglo pasado surgió tras los desarrollos teóricos producidos en el primer tercio del siglo . 5n el primer tercio del siglo se construyó la mecánica cuántica. Gracias a estas investigaciones y a los desarrollos posteriores, 0oy se acepta que la ordenación de los elementos en el sistema periódico está relacionada con la estructura electrónica de los átomos de los diversos elementos, a partir de la cual se pueden predecir sus di+erentes propiedades qu%micas. Etr&!t&ra - "ra'i2a!i(' #e $a ta+$a )eri(#i!a
#a tabla periódica actual es un sistema donde se clasifcan los elementos conocidos 0asta la +ec0a. Se colocan de iquierda a derec0a y de arriba a aba!o en orden creciente de sus nmeros atómicos. #os elementos están ordenados en siete 0ileras 0oriontales llamadas periodos, y en 'L columnas verticales llamadas grupos o +amilias. K ;acia aba!o y a la iquierda aumenta el radio atómico y el radio iónico. ;acia arriba y a la derec0a aumenta la energ%a de ioniación, la afnidad electrónica y la electronegatividad. Gr&)" 7 las columnas verticales de la tabla periódica se les conoce como grupos o +amilias. ;ay 'L grupos en la tabla periódica estándar, de los cuales die son grupos cortos y los oc0o restantes largos, que muc0os de estos grupos correspondan a conocidas +amilias de elementos qu%micos: la tabla periódica se ideó para ordenar estas +amilias de una +orma co0erente y +ácil de ver. odos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia, entendido como el nmero de electrones en la ltima capa, y por ello, tienen propiedades similares entre s%. #a e4plicación moderna del ordenamiento en la tabla periódica es que los elementos de un grupo poseen confguraciones electrónicas similares y la misma valencia, o nmero de electrones en la ltima capa. Dado que las propiedades qu%micas dependen pro+undamente de las interacciones de los electrones que están ubicados en los niveles más e4ternos, los elementos de un mismo grupo tienen propiedades qu%micas similares. &or e!emplo, los elementos en el grupo ' tienen una confguración electrónica ns0 y una valencia de ' 2un electrón e4terno3 y todos tienden a perder ese electrón al enlaarse como iones positivos de M'. #os elementos en el ltimo grupo de la derec0a son los gases nobles, los cuales tienen lleno su ltimo nivel de energ%a 2regla del octeto3 y, por ello, son e4cepcionalmente no reactivos y son tambi"n llamados gases inertes. /umerados de iquierda a derec0a utiliando nmeros arábigos, segn la ltima recomendación de la I6&79 2segn la antigua propuesta de la I6&793 de 'BLL y entre par"ntesis segn el sistema estadounidense,L los grupos de la tabla periódica son: Grupo ' 2I 73: los Grupo K 2VII 83: Grupo 'E 2III 73: •
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metales alcalinos Grupo ? 2II 73: los metales alcalinot"rreos. Grupo E 2III 83: +amilia del 5scandio 2tierras raras y actinidos3. Grupo C 2IV 83: +amilia del itanio. Grupo * 2V 83: +amilia del Vanadio. Grupo J 2VI 83: +amilia del 9romo.
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Per0"#" 's
+amilia del Aanganeso. Grupo L 2VIII 83: +amilia del ;ierro. Grupo B 2VIII 83: +amilia del 9obalto. Grupo '( 2VIII 83: +amilia del /%quel. Grupo '' 2I 83: +amilia del 9obre. Grupo '? 2II 83: +amilia del inc.
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los t"rreos. Grupo 'C 2IV 73: los carbonoideos. Grupo '* 2V 73: los nitrogenoideos . Grupo 'J 2VI 73: los calcógenos o an+%genos. Grupo 'K 2VII 73: los 0alógenos. Grupo 'L 2VIII 73: los gases nobles.
Ks *+ Jd Kp #as flas 0oriontales de la tabla periódica son llamadas per%odos. 5l nmero de niveles energ"ticos de un átomo determina el periodo al que pertenece. 9ada nivel está dividido en distintos subniveles, que con+orme aumenta su nmero atómico se van llenando en este orden: Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca segn su confguración electrónica y da +orma a la tabla periódica. #os electrones situados en niveles más e4ternos determinan en gran medida las propiedades qu%micas, por lo que "stas tienden a ser similares dentro de un mismo grupo, sin embargo la masa atómica var%a considerablemente incluso entre elementos adyacentes. 7l contrario, dos elementos adyacentes de mismo periodo tienen una masa similar, pero propiedades qu%micas di+erentes. #a tabla periódica consta de K per%odos: &er%odo ' &er%odo * &er%odo ? &er%odo J &er%odo E &er%odo K &er%odo C $"4&e •
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#a tabla periódica se puede tambi"n dividir en bloques de elementos segn el orbital que est"n ocupando los electrones más e4ternos, de acuerdo al principio de 7u+bau. #os bloques o regiones se denominan segn la letra que 0ace re+erencia al orbital más e4terno: s, p, d y f . &odr%a 0aber más elementos que llenar%an otros orbitales, pero no se 0an sintetiado o descubierto> en este caso se contina con el orden al+ab"tico para nombrarlos. 8loque s 8loque p 8loque d 8loque + 8loque g 2bloque 0ipot"tico3 Otra %"rma #e re)ree'tar $a ta+$a )eri(#i!a Varias +ormas 2en espiral, en ED3 <'=> 'B*'. Xorma en espiral, 'BJ(. Xorma en espiral, pro+esor 0eodor 8en+ey
'BB*. Xorma en espiral@+ractal, Aelinda 5 Green ?((C, noviembre. Xorma en espiral sobre dibu!o de gala4ia, &0ilip Y. SteWart <*=> Gae E$eme't ;0m+"$ Gr&) Per0"# t"m Ma Pr"t"'e Ne&tr"' E$e!tr"' " " " " " a e e ;idrógen ; ' ' ' ' ' ( ' o /itrógeno / '* ? K 'C K K K 4%geno 'J ? L 'J L L L Xlor X 'K ? B 'B B '( B 9loro 9l 'K E 'K EJ 'K 'B 'K ;elio ;e 'L ' ? C ? ? ? /eón /e 'L ? '( ?( '( '( '( 7rgón 7r 'L E 'L C( 'L ?? 'L jriptón jr 'L C EJ LC EJ CL EJ enón e 'L * *C 'E' *C KK *C adón n 'L J LJ ??? LJ 'EJ LJ L04&i#" E$eme't ;0m+"$ Gr&) Per0"# t"m Ma Pr"t"'e Ne&tr"' E$e!tr"' " " " " " a e e 9esio 9s ' J ** 'EE ** KL ** Xrancio Xr ' K LK ??E LK 'EJ LK Aercurio ;g '? J L( ?(' L( '?' L( • • • • •
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Galio Ga 'E C E' K( E' EB E' 8romo 8r 'K C E* L( E* C* E* Pre)ara#" #e tra'i!i(' ;0m+"$ Gr&) Per0"# t"m Ma Pr"t"' Ne&tr"' E$e!tr"' E$eme't" " " " " a e e e ut0er+ordi + C K '(C ?J' '(C '*K '(C o Dubnio Db * K '(* ?J? '(* '*K '(* Seaborgio Sg J K '(J ?JE '(J '*K '(J ecnecio c K * CE BB CE *J CE 8o0rio 80 K K '(K ?J? '(K '** '(K ;assio ;s L K '(L ?J* '(L '*K '(L Aeitnerio At B K '(B ?JJ '(B '*K '(B Darmstadti Ds '( K ''( ?K' ''( 'J' ''( o oentgenio g '' K ''' ?K? ''' 'J' ''' 9opernicio 9n '? K ''? ?K? ''? 'J( ''? 6nuntrio 6ut 'E K ''E ?LE ''E 'K( ''E 6nuncuadio 6uq 'C K ''C ?L* ''C 'K' ''C 6nunpentio 6up '* K ''* ?LL ''* 'KE ''* 6nun0e4io 6u0 'J K ''J ?LB ''J 'KE ''J 6nunseptio 6us 'K K ''K ?B' ''K 'KC ''K 6nunoctio 6uo 'L K ''L ?BE ''L 'K* ''L Pre)ara#" $a't'i#" - a!t0'i#" t"m Ma Pr"t"'e Ne&tr"'e E$e!tr"'e E$eme't" ;0m+"$ Gr&)" " " a &rometio &m #antánido J' 'CK J' LJ J' /eptunio /p 7ct%nido BE ?EK BE 'CC BE &lutonio &u 7ct%nido BC ?CC BC '*( BC 7mericio 7m 7ct%nido B* ?CE B* 'CL B* 9urio 9m 7ct%nido BJ ?CK BJ '*' BJ 8er)elio 8) 7ct%nido BK ?CK BK '*( BK 9ali+ornio 9+ 7ct%nido BL ?*' BL '*E BL 5instenio 5s 7ct%nido BB ?*? BB '*E BB Xermio Xm 7ct%nido '(( ?*K '(( '*K '(( Aendelevio Ad 7ct%nido '(' ?*L '(' '*K '(' /obelio /o 7ct%nido '(? ?*B '(? '*K '(? #aurencio #r 7ct%nido '(E ?J? '(E '*B '(E ;($i#" a$!a$i'" - a$!a$i'"t5rre" E$eme' ;0m+" Per0" t" Ma Pr"t"' Ne&tr" E$e!tr" Gr&)" t" $" #" m" a e 'e 'e #itio #i 7lcalino ? E K E C E Sodio /a 7lcalino E '' ?E '' '? '' &otasio j 7lcalino C 'B EB 'B ?( 'B ubidio b 7lcalino * EK LJ EK CB EK 7lcalinot"rr ? 8erilio 8e C B C * C eo Aagnesi Ag 7lcalinot"rr E '? ?C '? '? '? o eo 7lcalinot"rr C 9alcio 9a ?( C( ?( ?( ?( eo 5stronci Sr 7lcalinot"rr * EL LL EL *( EL o eo 8ario 8a 7lcalinot"rr J *J 'EK *J L' *J
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5n +%sica y qu%mica se observa que, para cualquier sustancia o mecla, modifcando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o +ases, denominados eta#" #e area!i(' #e $a materia , en relación con las +ueras de unión de las part%culas 2mol"culas, átomos o iones3 que la constituyen. odos los estados de agregación poseen propiedades y caracter%sticas di+erentes> los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, llamados +ases sólida, l%quida, gaseosa y plasmática. ambi"n son posibles otros estados que no se producen de +orma natural en nuestro entorno, por e!emplo: condensado de 8ose@5instein, condensado +ermiónico y estrellas de neutrones. Se cree que tambi"n son posibles otros, como el plasma de quar)@gluón. <'= E;TADO ;OLIDO #os ob!etos en estado sólido se presentan como cuerpos de +orma defnida> sus átomos a menudo se entrelaan +ormando estructuras estrec0as defnidas, lo que les confere la capacidad de soportar +ueras sin de+ormación aparente. Son califcados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las +ueras de atracción son mayores que las de repulsión. 5n los sólidos cristalinos, la presencia de espacios intermoleculares peque1os da paso a la intervención de las +ueras de enlace, que ubican a las celdillas en +ormas geom"tricas.
5n los amor+os o v%treos, por el contrario, las part%culas que los constituyen carecen de una estructura ordenada. #as sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes caracter%sticas: 9o0esión elevada. ienen una +orma defnida y memoria de +orma, presentando +ueras elásticas restitutivas si se de+orman +uera de su confguración original. 7 e+ectos prácticos son incompresibles. esistencia a la +ragmentación. Xluide muy ba!a o nula. 7lgunos de ellos se subliman. V"ase tambi"n: %ateria granular • •
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E;TADO LQUIDO Si se incrementa la temperatura de un sólido, este va perdiendo +orma 0asta desaparecer la estructura cristalina, alcanando el estado l%quido. 9aracter%stica principal: la capacidad de $uir y adaptarse a la +orma del recipiente que lo contiene. 5n este caso, an e4iste cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque muc0o menos intensa que en los sólidos. 5l estado l%quido presenta las siguientes caracter%sticas: 9o0esión menor. &oseen movimiento de energ%a cin"tica. Son $uidos, no poseen +orma defnida, ni memoria de +orma por lo que toman la +orma de la superfcie o el recipiente que lo contiene. 5n el +r%o se contrae 2e4ceptuando el agua3. &osee $uide a trav"s de peque1os orifcios. &uede presentar di+usión. Son poco compresibles. • • •
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E;TADO GA;EO;O Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene +orma ni volumen defnido. Su principal composición son mol"culas no unidas, e4pandidas y con poca +uera de atracción, 0aciendo que no tengan volumen y +orma defnida, provocando que este se e4panda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases las +ueras gravitatorias y de atracción entre part%culas resultan insignifcantes. 5s considerado en algunos diccionarios como sinónimo de vapor, aunque no 0ay que con+undir sus conceptos, ya que el t"rmino de vapor se refere estrictamente para aquel gas que se puede condensar por presuriación a temperatura constante. #os gases se e4panden libremente 0asta llenar el recipiente que los contiene, y su densidad es muc0o menor que la de los l%quidos y sólidos. Dependiendo de sus contenidos de energ%a o de las +ueras que actan, la materia puede estar en un estado o en otro di+erente: se 0a 0ablado durante la 0istoria, de un gas ideal o de un sólido cristalino per+ecto, pero ambos son modelos l%mites ideales y, por tanto, no tienen e4istencia real. 5n los gases reales no e4iste un desorden total y absoluto, aunque s% un desorden más o menos grande. 5n un gas, las mol"culas están en estado de caos y muestran poca respuesta a la gravedad. Se mueven tan rápidamente que se liberan unas de otras. cupan entonces un volumen muc0o mayor que en los
otros estados porque de!an espacios libres intermedios y están enormemente separadas unas de otras. &or eso es tan +ácil comprimir un gas, lo que signifca, en este caso, disminuir la distancia entre mol"culas. 5l gas carece de +orma y de volumen, porque se comprende que donde tenga espacio libre all% irán sus mol"culas errantes y el gas se e4pandirá 0asta llenar por completo cualquier recipiente. 5l estado gaseoso presenta las siguientes caracter%sticas: 9o0esión casi nula. /o tienen +orma defnida. Su volumen es variable. • • •
E;TADO PLA;MATICO 5l plasma es un gas ioniado, es decir que los átomos que lo componen se 0an separado de algunos de sus electrones. De esta +orma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por aniones y cationes 2iones con carga negativa y positiva, respectivamente3, separados entre s% y libres, por eso es un e4celente conductor. 6n e!emplo muy claro es el Sol. 5n la ba!a 7tmós+era terrestre, cualquier átomo que pierde un electrón 2cuando es alcanado por una part%cula cósmica rápida3 se dice que está ioniado. &ero a altas temperaturas es muy di+erente. 9uanto más caliente está el gas, más rápido se mueven sus mol"culas y átomos, 2ley de los gases ideales3 y a muy altas temperaturas las colisiones entre estos átomos, movi"ndose muy rápido, son sufcientemente violentas para liberar los electrones. 5n la atmós+era solar, una gran parte de los átomos están permanentemente TioniadosU por estas colisiones y el gas se comporta como un plasma. 7 di+erencia de los gases +r%os 2por e!emplo, el aire a temperatura ambiente3, los plasmas conducen la electricidad y son +uertemente in$uidos por los campos magn"ticos. #a lámpara $uorescente, contiene plasma 2su componente principal es vapor de mercurio3 que calienta y agita la electricidad, mediante la l%nea de +uera a la que está conectada la lámpara. #a l%nea, positivo el"ctricamente un e4tremo y negativo, causa que los iones positivos se aceleren 0acia el e4tremo negativo, y que los electrones negativos vayan 0acia el e4tremo positivo. #as part%culas aceleradas ganan energ%a, colisionan con los átomos, e4pulsan electrones adicionales y mantienen el plasma, aunque se recombinen part%culas. #as colisiones tambi"n 0acen que los átomos emitan lu y esta +orma de lu es más efciente que las lámparas tradicionales. #os letreros de neón y las luces urbanas +uncionan por un principio similar y tambi"n se usaron en electrónicas. Per$ #e $a i"'"%era #a parte superior de la ionos+era se e4tiende en el espacio algunos cientos de )ilómetros y se combina con la magnetos+era, cuyo plasma está generalmente más rarifcado y tambi"n más caliente. #os iones y los electrones del plasma de la magnetos+era provienen de la ionos+era que está por deba!o y del viento solar y muc0os de los pormenores de su entrada y calentamiento no están claros an. 54iste el plasma interplanetario, el viento solar. #a capa más e4terna del Sol, la corona, está tan caliente que no sólo están ioniados todos sus átomos, sino que aquellos que comenaron con muc0os electrones, tienen arrancados la mayor%a 2a veces todos3, incluidos los electrones de las capas más pro+undas que están más +uertemente unidos. 5n la corona del Sol se 0a detectado la radiación
electromagn"tica caracter%stica del 0ierro que 0a perdido 'E electrones. 5sta temperatura e4trema evita que el plasma de la corona permaneca cautivo por la gravedad solar y, as%, $uye en todas direcciones, llenando el Sistema Solar más allá de los planetas más distantes. &ropiedades del plasma ;ay que decir que 0ay ? tipos de plasma, +r%os y calientes: 5n los plasmas +r%os, los átomos se encuentran a temperatura ambiente y son los electrones los que se aceleran 0asta alcanar una temperatura de *((( 9. &ero como los iones, que son muc0%simo más masivos, están a temperatura ambiente, no queman al tocarlos. 5n los plasmas calientes, la ioniación se produce por los c0oques de los átomos entre s%. #o que 0ace es calentar un gas muc0o y por los propios c0oques de los átomos entre s% se ionian. 5stos mismos átomos ioniados tambi"n capturan electrones y en ese proceso se genera lu 2por eso el Sol brilla, y brilla el +uego, y brillan los plasmas de los laboratorios3. 9ondensado de 8ose@5instein 5sta nueva +orma de la materia +ue obtenida el * de !ulio de 'BB*, por los +%sicos 5ric 7. 9ornell, \ol+gang jetterle y 9arl 5. \ieman, por lo que +ueron galardonados en ?((' con el &remio /obel de +%sica. #os cient%fcos lograron en+riar los átomos a una temperatura E(( veces más ba!a de lo que se 0ab%a logrado anteriormente. Se le 0a llamado _859, 8ose @ 5instein 9ondensado_ y es tan +r%o y denso que aseguran que los átomos pueden quedar inmóviles. odav%a no se sabe cuál será el me!or uso que se le pueda dar a este descubrimiento. 5ste estado +ue predic0o por Satyendra /at0 8ose y 7lbert 5instein en 'B?J. 9ondensado de Xermi 9reado en la universidad de 9olorado por primera ve en 'BBB, el primer condensado de Xermi +ormado por átomos +ue creado en ?((E. 5l condensado +ermiónico, considerado como el se4to estado de la materia, es una +ase super$uida +ormada por part%culas +ermiónicas a temperaturas ba!as. 5stá cercanamente relacionado con el condensado de 8ose@5instein. 7 di+erencia de los condensados de 8ose@5instein, los +ermiones condensados se +orman utiliando +ermiones en lugar de bosones. Dic0o de otra +orma, el condensado de Xermi es un estado de agregación de la materia en la que la materia adquiere super$uide. Se crea a muy ba!as temperaturas, e4tremadamente cerca del cero absoluto. #os primeros condensados +ermiónicos describ%an el estado de los electrones en un superconductor. 5l primer condensado +ermiónico atómico +ue creado por Debora0 S. Yin en ?((E. 6n condensado quiral es un e!emplo de un condensado +ermiónico que aparece en las teor%as de los +ermiones sin masa con rotura de simetr%a quiral. •
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;UPER;OLIDO 5ste material es un sólido en el sentido de que la totalidad de los átomos del 0elio@2C3 que lo componen están congelados en una pel%cula cristalina r%gida, de +orma similar a como lo están los átomos y las mol"culas en un sólido normal como el 0ielo. #a di+erencia es que, en este caso, congelado no signifca estacionario. 9omo la pel%cula de 0elio@C es tan +r%a 2apenas una d"cima de grado sobre el cero absoluto3, comienan a imperar las leyes de incertidumbre cuántica. 5n e+ecto, los átomos de 0elio comienan a comportarse como si +ueran sólidos y $uidos a la ve. De 0ec0o, en
las circunstancias adecuadas, una +racción de los átomos de 0elio comiena a moverse a trav"s de la pel%cula como una sustancia conocida como super$uido, un l%quido que se mueve sin ninguna +ricción. De a0% su nombre de supersólido. Se demuestra que las part%culas de 0elio aplicadas a temperaturas cercanas al ( absoluto cambian el momento de inercia y un sólido se convierte en un supersólido lo que previamente aparece como un estado de la materia. OTRO; PO;ILE; E;TADO; DE LA MATERIA 54isten otros posibles estados de la materia> algunos de estos sólo e4isten ba!o condiciones e4tremas, como en el interior de estrellas muertas, o en el comieno del universo despu"s del 8ig 8ang o gran e4plosión: Super$uido Aateria degenerada Aateria +uertemente sim"trica Aateria d"bilmente sim"trica Aateria e4tra1a o materia de quar)s Super$uido polaritón Aateria +otónica • • • • • • •
CAMIO; DE E;TADO &ara cada elemento o compuesto qu%mico e4isten determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se 0ace re+erencia nicamente a la temperatura de cambio de estado, que "sta se refere a la presión de la atm. 2la presión atmos+"rica3. De este modo, en _condiciones normales_ 2presión atmos+"rica, ( 93 0ay compuestos tanto en estado sólido como l%quido y gaseoso 2S, # y G3. #os procesos en los que una sustancia cambia de estado son: la sublimación 2S@G3, la vaporiación 2#@G3, la condensación 2G@#3, la solidifcación 2#@S3, la +usión 2S@#3, y la sublimación inversa 2G@S3. 5s importante aclarar que estos cambios de estado tienen varios nombres. . ENLACE QUIMICO
6n e'$a!e 4&0mi!" es la interacción +%sica responsable de las interacciones entre átomos, mol"culas e iones, que tiene una estabilidad en los compuestos diatómicos y poliatómicos. #os qu%micos suelen apoyarse en la fsicoqu%mica o en descripciones cualitativas. 5n general, el enlace qu%mico +uerte está asociado en la trans+erencia de electrones entre los átomos participantes. #as mol"culas, cristales, y gases diatómicos 2que +orman la mayor parte del ambiente +%sico que nos rodea3 está unido por enlaces qu%micos, que determinan las propiedades +%sicas y qu%micas de la materia.
#as cargas opuestas se atraen, porque, al estar unidas, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. 5sta situación de mayor estabilidad suele darse cuando el nmero de electrones que poseen los átomos en su ltimo nivel es igual a oc0o, estructura que coincide con la de los gases nobles ya que los electrones que orbitan el ncleo están cargados negativamente, y que los protones en el ncleo lo están positivamente, la confguración más estable del ncleo y los electrones es una en la que los electrones pasan la mayor parte del tiempo entre los ncleos, que en otro lugar del espacio. 5stos electrones 0acen que los ncleos se atraigan mutuamente. 5n la visión simplifcada del denominado enlace covalente, uno o más electrones 2+recuentemente un par de electrones3 son llevados al espacio entre los dos ncleos atómicos. 70%, los electrones negativamente cargados son atra%dos a las cargas positivas de ambos ncleos, en ve de sólo su propio ncleo. 5sto vence a la repulsión entre los dos ncleos positivamente cargados de los dos átomos, y esta atracción tan grande mantiene a los dos ncleos en una confguración de equilibrio relativamente f!a, aunque an vibrarán en la posición de equilibrio. 5n resumen, el enlace covalente involucra la compartición de electrones en los que los ncleos positivamente cargados de dos o más átomos atraen simultáneamente a los electrones negativamente cargados que están siendo compartidos. 5n un enlace covalente polar, uno o más electrones son compartidos inequitativamente entre dos ncleos. 5n una visión simplifcada de un enlace iónico, el electrón de enlace no es compartido, sino que es trans+erido. 5n este tipo de enlace, el orbital atómico más e4terno de un átomo tiene un lugar libre que permite la adición de uno o más electrones. 5stos electrones recientemente agregados ocupan potencialmente un estado de menor energ%a 2más cerca al ncleo debido a la alta carga nuclear e+ectiva3 de lo que e4perimentan en un tipo di+erente de átomo. 5n consecuencia, un ncleo o+rece una posición de más +uerte unión a un electrón de lo que lo 0ace el otro ncleo. 5sta trans+erencia ocasiona que un átomo asuma una carga neta positiva, y que el otro asuma una carga neta negativa. 5ntonces, el enlace resulta de la atracción electrostática entre los átomos, y los átomos se constituyen en 22iones33 de carga positiva o negativa. odos los enlaces pueden ser e4plicados por la teor%a cuántica, pero, en la práctica, algunas reglas de simplifcación les permiten a los qu%micos predecir la +uera de enlace, direccionalidad y polaridad de los enlaces. #a regla del octeto y la 25&5V3 teor%a de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia son dos e!emplos. 54isten teor%as más sofsticadas, como la teor%a del enlace de valencia, que incluye la 0ibridación de orbitales y la resonancia, y el m"todo de combinación lineal de orbitales atómicos dentro de la teor%a de los orbitales moleculares, que incluye a la teor%a del campo de los ligantes. #a electrostática es usada para describir polaridades de enlace y los e+ectos que e!erce en las sustancias qu%micas Hit"ria #e$ !"'!e)t" #e e'$a!e 4&0mi!" #as primeras especulaciones respecto a la naturalea del enlace químico son tan tempranas como en el siglo II. Se supon%a que
ciertos tipos de especies qu%micas estaban unidas entre s% por un tipo de afnidad qu%mica. 5n 'K(C, Isaac /eWton esboó su teor%a de enlace atómico, en _uery E'_ de su 1ptic2s, donde los átomos se unen unos a otros por alguna _+uera_. 5spec%fcamente, despu"s de investigar varias teor%as populares, en boga en aquel tiempo, de cómo los átomos se pod%a unir unos a otros, por e!emplo, _átomos enganc0ados_, _átomos pegados unos a otros por reposo_, o _unidos por movimientos conspirantes_, /eWton se1aló lo que in+erir%a posteriormente a partir de su co0esión que: #as part%culas se atraen unas a otras por alguna +uera, que en contacto inmediato es e4cesivamente grande, a distancias peque1as desempe1an operaciones qu%micas y su e+ecto de!a de sentirse no le!os de las part%culas. 5n 'L'B, a ra% de la invención de la pila voltaica, YQns Ya)ob 8erelius desarrolló una teor%a de combinación qu%mica, introduciendo indirectamente el carácter electropositivo y electronegativo de los átomos combinantes. 7 mediados del siglo I, 5dWard Xran)land, X. 7. je)ule, 7. S. 9ouper, 7. A. 8utlerov y ;ermann jolbe, ampliando la teor%a de radicales, desarrollaron la teor%a de valencia, originalmente llamado _poder combinante_ en que los compuestos se manten%a unidos debido a la atracción entre polos positivo y negativo. 5n 'B'J, el qu%mico Gilbert /. #eWis desarrolló el concepto de enlace de par de electrones, en el que dos átomos pueden compartir uno y seis electrones, +ormando el enlace de un solo electrón, enlace simple, enlace doble, o enlace triple: 5n las propias palabras de #eWis: 6n electrón puede +ormar parte de las envolturas de dos átomos di+erentes y no puede decirse que perteneca a uno simplemente o e4clusivamente. 5l mismo a1o, \alt0er jossel lanó una teor%a similar a la de #eWis, con la di+erencia de que su modelo asum%a una trans+erencia completa de electrones entre los átomos, con lo que era un modelo de enlace iónico. anto #eWis y jossel estructuraron sus modelos de enlace a partir de la regla de 7begg 2'B(C3. 5n 'B?K, el +%sico dan"s yvind 8urrau derivó la primera descripción cuántica matemáticamente completa de un enlace qu%mico simple, el producido por un electrón en el ion de 0idrógeno molecular 2di0idrogenilio3, ;?M.' 5ste traba!o mostró que la apro4imación cuántica a los enlaces qu%micos podr%an ser correctas +undamental y cualitativamente, pero los m"todos matemáticos usados no podr%an e4tenderse a mol"culas que contuvieran más de un electrón. 6na apro4imación más práctica, aunque menos cuantitativa, +ue publicada en el mismo a1o por \alter ;eitler y Xrit #ondon. 5l m"todo de ;eitler@#ondon +orma la base de lo que a0ora se denomina teor%a del enlace de valencia. 5n 'B?B, sir Yo0n #ennard@Yones introdu!o el m"todo de combinación lineal de orbitales atómicos 29#7 o dentro de la teor%a de orbitales moleculares, sugiriendo tambi"n m"todos para derivar las estructuras electrónicas de mol"culas de X ? 2$or3 y las mol"culas de ? 2o4%geno3, a partir de principios cuánticos básicos. 5sta teor%a de orbital molecular representó un enlace covalente como un orbital +ormado por combinación de los orbitales atómicos de la mecánica cuántica de Sc0rQdinger que 0ab%an sido 0ipotetiados por los electrones en átomos solitarios. #as ecuaciones para los electrones de enlace en átomos multielectrónicos no podr%an ser resueltos con per+ección matemática 2esto es, analíticamente3, pero las apro4imaciones para ellos an producen muc0as predicciones y resultados cualitativos buenos. Auc0os cálculos cuantitativos en qu%mica cuántica moderna usan tanto las teor%as de orbitales
moleculares o de enlace de valencia como punto de partida, aunque una tercera apro4imación, la teor%a del +uncional de la densidad, se 0a estado 0aciendo más popular en a1os recientes. 5n 'BE*, ;. ;. Yames y 7. S. 9oolidge llevaron a cabo un cálculo sobre la mol"cula de di0idrógeno que, a di+erencia de todos los cálculos previos que usaban +unciones sólo de la distancia de los electrones a partir del ncleo atómico, usó +unciones que sólo adicionaban e4pl%citamente la distancia entre los dos electrones. ? 9on 'E parámetros a!ustables, ellos obtienen el resultado muy cercano al resultado e4perimental para la energ%a de disociación de enlace. &osteriores e4tensiones usaron 0asta *C parámetros y producen gran concordancia con los e4perimentos. 5ste cálculo convenció a la comunidad cient%fca que la teor%a cuántica podr%a concordar con los e4perimentos. Sin embargo, esta apro4imación no tiene relación +%sica con la teor%a de enlace de valencia y orbitales moleculares y es di+%cil de e4tender a mol"culas más grandes.
Te"r0a #e e'$a!e #e ,a$e'!ia 5n el a1o 'B?K, la teor%a de enlace de valencia +ue +ormulada, argumentando esencialmente que el enlace qu%mico se +orma cuando dos electrones de valencia, en sus respectivos orbitales atómicos, traba!an o +uncionan para mantener los dos ncleos !untos, en virtud a los e+ectos de disminución de energ%a del sistema. 5n 'BE', a partir de esta teor%a, el qu%mico #inus &auling publicó lo que algunos consideran uno de las más importantes publicaciones en la 0istoria de la qu%mica: _Sobre la naturalea del enlace qu%mico_. 5n este documento, tomando en cuenta los traba!os de #eWis, la teor%a del enlace de valencia 25V3 de ;eitler y #ondon, as% como su propio traba!o preliminar, presentó seis reglas para el enlace de electrones compartidos, aunque las tres primeras ya eran conocidas gen"ricamente: 1. 5l enlace de par de electrones a trav"s de la interacción de un electrón desapareado de cada uno de dos átomos. *. 5l spin de los electrones involucrados en el enlace, tienen que ser opuestos. >. 6na ve apareados, los dos electrones no pueden +ormar parte de enlaces adicionales. Sus tres ltimas reglas eran nuevas: @. #os t"rminos de intercambio de electrones para +ormar el enlace involucra sólo una +unción de onda de cada átomo. . #os electrones disponibles en el menor nivel de energ%a +orman los enlaces más +uertes. B. De dos orbitales en un átomo, el que pueda solaparse en mayor proporción con un orbital de otro átomo +ormará el enlace más +uerte, y este enlace tenderá a orientarse en la dirección del orbital más concentrado. 7 partir de este art%culo, &auling publicar%a en 'BEB un libro de te4to, 3obre la aturale4a del $nlace 5uímic6, que (endría a ser llamado por algunos como la 7biblia7 de la química moderna. $ste libro ayudó a los químicos experimentales a entender el impacto de la teoría cuántica sobre la química. 3in embargo, la edición posterior de 0898 falló en explicar adecuadamente los problemas que parecían ser meor entendibles por la teoría de orbitales moleculares. $l impacto de la teoría del enlace de (alencia declinó durante la d'cada de 08;< y 08=< a la par con el crecimiento en popularidad de la teoría de orbitales moleculares, que estaba siendo implementada en mucos programas de grandes ordenadores. A partir de la d'cada de 08;<,
los problemas más difíciles de la implementación de la teoría del enlac enlace e de (ale (alenc ncia ia en prog progra ramas mas de co comp mput utad adora orass abí abían an sido sido mayo ma yorm rment ente e resu resuelt eltos os y la teor teoría ía del del enla enlace ce de (ale (alenc ncia ia (io un resurgimiento. Te"r0a #e $" "r+ita$e m"$e!&$are 7rt%culo principal: *eoría de los orbitales moleculares
rbital molecular ;A ;A@* @* de tipo pi pi,, en la mol"cula de tri$uoruro de boro, calculado usando Spartan. #a teor%a de los orbitales moleculares moleculares 2A3 usa una combinación line lineal al de orbitales atómicos atómicos para +ormar orbitales moleculares, que abar barcan can la mol"cu l"cula la enter ntera a. 5stos stos orbi orbita tale less son son div dividid ididos os +recue +recuentem ntemente ente en orbitales enlaantes, enlaantes, orbitales antienlaantes, antienlaantes , y orbitales de no enlace. enlace . 6n orbital molecular es molecular es simplemente un orbital de Sc0rQdinger que incluye varios, pero +recuentemente sólo dos, ncleos. Si este orbital es del tipo en que los electrones tienen una mayor mayor probabil probabilidad idad de estar estar entre los ncleos que en cualquier otro lugar, el orbital será un orbital enlaante, y tenderá a mantener los ncleos cerca. Si los electrones tienden a estar presentes en un orbi orbita tall mole molecu cula larr en que que pasa pasan n la mayo mayorr part parte e del del tiem tiempo po en cualquier lugar e4cepto entre los ncleos, el orbital +uncionará como un orbi orbita tall anti antien enla laa ant nte, e, y realm ealmen ente te debil debilit itar ará á el enla enlace ce.. #os #os electrones en orbitales no enlaantes tienden a estar en orbitales pro+undos 2cerca a los orb orbita itales les at atómi ómicos cos33 asociados casi enteramente o con un ncleo o con otro y entonces pasarán igual tiempo entre los ncleos y no en ese espacio. 5stos electrones no contribuyen ni detractan la +uera del enlace. C"m)ara!i(' #e $a te"r0a #e$ e'$a!e #e ,a$e'!ia - #e $" "r+ita$e m"$e!&$are 5n algunos aspectos, la teor%a del enlace de valencia es superior a la teor%a de orbitales moleculares. 9uando se aplica a la mol"cula más simple de dos electrones, ; ?, la teor%a del enlace de valencia, incluso al nivel más simple de la apro4imación de ;eitler@#ondon, produce una apro4imación más cercana a la energ%a de enlace, enlace , y provee una representación más e4acta del comportamiento de los electrones al +ormarse y romperse los enlaces qu%micos. 5n contraste, la teor%a de orbitales moleculares moleculares simple predice que la mol"cula de 0idrógeno 0id rógeno se disocia en una superposición lineal de átomos de 0idrógeno, e iones positi positivos vos y negat negativo ivoss de 0idr 0idrógeno, ógeno, un resul resultad tado o comple completa tamen mente te contrario a la evidencia +%sica. 5sto e4plica en parte por qu" la curva de energ energ%a %a total total versu versuss la distan distancia cia inter interató atómic mica a del del m"tod m"todo o de orbitales de valencia yace por encima de la curva del m"todo de orbitales moleculares a todas las distancias y, más particularmente, para distancias muc0o más grandes. 5sta situación surge para todas las mol"cu mol"culas las diatóm diatómica icass 0omonu 0omonucle clear ares es y es partic particula ularm rment ente e un problema para el X ?, para el que la energ%a m%nima de la curva con la
teor%a teor%a de orbita orbitales les molec molecula ularres es an mayor mayor en ener energ%a g%a que la energ%a de los dos átomos de $or no enlaados. #os conceptos de 0ibridación son versátiles, y la variabilidad en el enlace en muc0os compuestos orgánicos es tan modesta que la teor%a del enlace permanece como una parte integral del vocabulario del qu%mico orgánico. Sin embargo, el traba!o de Xriedric0 ;und, ;und, obert Aulli)en,, y Ger0ar Aulli)en Ger0ard d ;erber ;erberg g most mostrró que que la teor teor%a %a de orbit orbital ales es mole olecula cularres pro provee vee una desc descri ripc pció ión n más aprop propia iada da de las las propi propieda edades des espect espectro roscó scópic picas as,, magn" magn"tic ticas as y de ionia ioniació ción n de las mol" mol"cu cula las. s. #as #as defc defcie ienc ncia iass de la teor teor%a %a del del enla enlace ce se 0ici 0icier eron on aparente aparentess cuando cuando las mol"culas mol"culas 0ipervalentes 0ipervalentes 2por e!emplo, el &X *3 +ueron e4plicadas sin el uso de los orbitales _d_ que eran cruciales en el esquema de enlace basado en 0ibridación, propuesto para tales mol" ol"cula culass por por &aulin uling. g. #os compl comple!os e!os metá metálicos licos y compuestos defcientes en electrones 2como electrones 2como el diborano diborano33 tambi"n resultaron ser me!o me!orr desc descri rito toss por por la teor teor%a %a de orbi orbita tale less mole molecu cula larres, es, aunq aunque ue tambi"n se 0an 0ec0o descripciones usando la teor%a del enlace de valencia. 5n la d"cada de 'BE(, los dos m"todos compet%an +uertemente 0asta que se observó que ambas eran apro4imaciones a una teor%a me!or. Si se toma la estructura de enlace de valencia simple y se mecla en todas las estructuras covalentes e iónicas posibles que surgen de un !uego particular de orbitales atómicos, se llega a lo que se llama la +unción de onda de interacción de confguración completa. Si se toma la descripción de orbital molecular simple del estado +undamental y se combina dic0a +unción con las +unciones que describen todos los estad estados os e4cit e4citad ados os posibl posibles es usando usando los orbita orbitales les no ocupad ocupados os que surgen del mismo !uego de orbitales atómicos, tambi"n se llega a la +unción de onda de interacción de confguración completa. &uede verse que la apro4imación de orbital molecular simple da demasiado peso peso a las estru estructu ctura rass iónica iónicas, s, mientr mientras as que la apro4 apro4ima imació ción n de enlace de valencia simple le da demasiado poco. 5sto puede ser descrito diciendo que la apro4imación apro4imación de orbitales moleculares moleculares simple es demasiado deslocali4ada, mientras que la apro4imación de enlaces de valencia es demasiado locali4ado. 5stas dos apro4imaciones son a0ora observadas como complementarias, cada una proveyendo sus propias perspectivas en el problema problema del enlace enlace qu%mico. qu%mico. #os cálculos cálculos moderno modernoss en qu%mica cuántica generalmente empiean a partir de 2pero fnalmente van cuántica más allá3 un orbital molecular en ve de una apro4imación de enlace de vale valenc ncia ia,, no por por alg algn n tipo tipo de supe superi rior orid idad ad intr intr%n %nse seca ca de la primera, sino porque la apro4imación de orbitales moleculares es muc0o muc0o más rápida rápidamen mente te adapta adaptable ble a comput computaci ación ón num"r num"rica ica.. Sin emba embarg rgo, o, a0or a0ora a 0ay 0ay me!or me!ores es prog progra rama mass de enla enlace ce de vale valenc ncia ia disponibles. E'$a!e e' %(rm&$a 4&0mi!a #a tridimensionalidad de los átomos y mol"culas 0ace di+%cil el uso de una sola t"cnica t"cnica para indica indicarr los orbital orbitales es y enlac enlaces. es. 5n la +órmula qu%mica,, los enlaces qu%micos 2orbitales enlaantes3 entre átomos qu%mica están indicados por varios m"todos di+erentes de acuerdo al tipo de discusión. 7lgunas veces, se desprecian desprecian completamente. &or e!emplo, en qu%mica orgánica, orgánica, la +órmula molecular del etanol 2un compuesto en bebidas alco0ólicas3 alco0ólicas3 puede ser escri escrito to en papel papel como isómeros con+ormacionales,, trid con+ormacionales tridim imen ensi sion onal al,, comp comple leta tame ment nte e bidi bidime mens nsion ional al 2ind 2indic ican ando do cada cada enla enlace ce con con direc direcci cion ones es no trid tridim imen ensi sion onal ales es3, 3, bidi bidime mens nsion ional al comp compri rimi mida da 29; 29;E9;?;3, ;3, separ parando ndo el grup grupo o +uncional del resto de la mol"cula 29 ?;*;3, o sus constituyentes atómicos 29?;J3, de acuerdo a lo que se est" discutiendo. 7lgunas veces, incluso se marcan los electrones no enlaantes de la capa de
valen valencia cia 2con 2con las direcc direccion iones es apro4 apro4ima imadas das bidime bidimensi nsiona onalme lmente nte,, estructura de #eWis3. #eWis 3. 7lgunos qu%micos pueden tambi"n representar los orbitales respectivos. respectivos. ENLACE QUIMICO 5stos enlaces qu%micos son +ueras intramoleculares, que mantienen a los átomos unidos en las mol"culas mol"culas.. 5n la visión simplista del enlace localiado, el nmero de electrones que participan en un enlace 2o están localiados en un orbital enlaante3, es t%picamente un nmero par de dos, cuatro, o seis, respectivamente. #os nmeros pares son comunes porque las mol"culas suelen tener estados energ"ticos más ba!o ba!oss si los los elect lectrrone ones está están n apar pareado eadoss. eor%a or%ass de enla enlacce sust sustan anci cial alme ment nte e más más avan avana ada dass 0an 0an most mostra rado do que que la +ue +uera ra de enlace no es siem iempre pre un nmer mero o enter ntero o, depe ependie diendo de la distribución de los electrones a cada átomo involucrado en un enlace. &or e!emplo, los átomos de carbono en el benceno benceno están están conectados a los vecinos inmediatos con una +uera apro4imada de '.*, y los dos átomos en el ó4i 4ido do n% n%tr tric ico o, /, están conectados con apro pro4im 4imadam damente nte ?.*. ?.*. 5l enl enlac ace e cuá cuádru druple ple tamb tambi" i"n n son son bien bien cono conoci cido dos. s. 5l tipo tipo de enla enlace ce +uer +uerte te depe depend nde e de la di+er di+eren enci cia a en electronegatividad y la dist distri ribu buci ción ón de los los orbi orbita tale less elec electr trón ónico icoss disponibles a los átomos que se enlaan. 7 mayor di+erencia en electronegatividad, con mayor +uera será un electrón atra%do a un átom átomo o part partic icula ularr invol involuc ucra rado do en el enla enlace ce,, y más más prop propie ieda dade dess _iónicas_ tendrá el enlace 2_iónico_ signifca que los electrones del enlace están compartidos inequitativamente3. 7 menor di+erencia de electro electronega negativid tividad, ad, mayore mayoress propieda propiedades des covalente covalentess 2compart 2compartición ición completa3 del enlace. #os átomos enlaados de esta +orma tienen carga el"ctrica neutra, por lo que el enlace se puede llamar no polar. #os enlaces covalentes pueden ser simples 2;@;3 cuando se comparte un solo par de electrones, dobles 23 al compartir dos pares de electr electrone ones, s, tripl triples es cuando cuando compar comparten ten tres tres tipos tipos de electr electrone ones, s, o cuádruples cuando comparten cuatro tipos de electrones. #os enlaces covalentes no polares se +orman entre átomos iguales, no 0ay variación en el nmero de o4idación. #os enlaces covalentes pola polarres se +orm +orman an con con átom átomos os dist distint intos os con con gran gran di+e di+errenci encia a de electronegatividades. #a mol"cula es el"ctricamente neutra, pero no e4iste simetr%a entre las cargas el"ctricas originando la polaridad, un e4tremo se caracteria ia por ser elec lectroposit ositiv ivo o y el otro electronegativo. E'$a!e !",a$e'te 7rt%culo principal: $nlace co(alente 5l enlace covalente polar es intermediado en su carácter entre un enlace covalente y un enlace iónico. #os enlaces covalentes polares se +orman con átomos distintos con gran di+erencia de electronegatividades. #a mol"cula es el"ctricamente neutra, pero no e4iste simetr%a entre las cargas el"ctricas originando la polaridad, un e4tremo se caracteria ia por ser elec lectroposit ositiv ivo o y el otro electronegativo. #os enlaces covalentes pueden ser simples cuando se comparte un solo par de electrones, dobles al compartir dos pares de electrones, tripl triples es cuando cuando compar comparten ten tres tres pares pares de electr electrone ones, s, o cuádru cuádruple pless cuando comparten cuatro pares de electrones. #os enlaces covalentes no polares2( o menor que (,(C3 se +orman entre átomos iguales, no 0ay variación en el nmero de o4idación. #os átomos enlaados de esta +orma tienen carga el"ctrica neutra. 5n otras palabras, el enlace covalente es la unión entre átomos en donde se da un compartimiento de electrones, los átomos que +orman este tipo de enlace son de carácter no metálico. #as mol"culas que se
+orman con átomos iguales 2mononucleares3 presentan un enlace covalente pero en donde la di+erencia de electronegatividades es nula. Se presenta entre los elementos con poca di+erencia de electronegatividad 2h '.K3, es decir cercanos en la tabla periódica de los elementos qu%micos o bien, entre el mismo elemento para +ormar mol"culas diatómicas. E'$a!e i('i!" " e$e!tr",a$e'te 7rt%culo principal: $nlace iónico 5l enlace iónico es un tipo de interacción electrostática entre átomos que tienen una gran di+erencia de electronegatividad. /o 0ay un valor preciso que distinga la ionicidad a partir de la di+erencia de electronegatividad, pero una di+erencia sobre ?.( suele ser iónica, y una di+erencia menor a '.K suele ser covalente. 5n palabras más sencillas, un enlace iónico es aquel en el que los elementos involucrados aceptan o pierden electrones 2se da entre un catión y un anión3 o dic0o de otra +orma, aquel en el que un elemento más electronegativo atrae a los electrones de otro menos electronegativo. E 5l enlace iónico implica la separación en iones positivos y negativos. #as cargas iónicas suelen estar entre @E e a MEe. '3 Se presenta entre los elementos con gran di+erencia de electronegatividad 2'.K3, es decir ale!ados de la tabla periódica: entre metales y no metales. ?3 #os compuestos que se +orman son sólidos cristalinos con puntos de +usión elevados. E3 Se da por TRAN;6ERENCIA de electrones: un átomo PIERDE y el otro ^GANA'. C3 Se +orman iones !ati"'e !"' !ara )"iti,a - a'i"'e !"' !ara 'eati,a . E'$a!e !",a$e'te !""r#i'a#" 7rt%culo principal: $nlace de coordinación 5l enlace covalente coordinado, algunas veces re+erido como enlace dativo, es un tipo de enlace covalente, en el que los electrones de enlace se originan sólo en uno de los átomos, el donante de pares de electrones, o base de #eWis, pero son compartidos apro4imadamente por igual en la +ormación del enlace covalente. 5ste concepto está cayendo en desuso a medida que los qu%micos se pliegan a la teor%a de orbitales moleculares. 7lgunos e!emplos de enlace covalente coordinado e4isten en nitronas y el boraano. 5l arreglo resultante es di+erente de un enlace iónico en que la di+erencia de electronegatividad es peque1a, resultando en una covalencia. Se suelen representar por $ec0as, para di+erenciarlos de otros enlaces. #a $ec0a muestra su cabea dirigida al aceptor de electrones o ácido de #eWis, y la cola a la base de #eWis. 5ste tipo de enlace se ve en el ion amonio. E'$a!e #e &'" - tre e$e!tr"'e #os enlaces con uno o tres electrones pueden encontrarse en especies radicales, que tienen un nmero impar de electrones. 5l e!emplo más simple de un enlace de un electrón se encuentra en el catión 0idrógeno molecular, ;?M. #os enlaces de un electrón suelen tener la mitad de energ%a de enlace, de un enlace de ? electrones, y en consecuencia se les llama _medios enlaces_. Sin embargo, 0ay e4cepciones: en el caso del dilitio, el enlace es realmente más +uerte para el #i ?M de un electrón, que para el #i ? de dos electrones. 5sta e4cepción puede ser e4plicada en t"rminos de 0ibridación y e+ectos de capas internas. C 5l e!emplo más simple de enlace de tres electrones puede encontrarse en el catión de 0elio dim"rico, ;e?M, y puede ser considerado tambi"n medio enlace porque, en t"rminos de orbitales moleculares, el tercer electrón está en un orbital antienlaante que cancela la mitad del enlace +ormado por los otros dos electrones. tro
e!emplo de una mol"cula conteniendo un enlace de tres electrones, además de enlaces de dos electrones, es el ó4ido n%trico, /. #a mol"cula de o4%geno, ?, tambi"n puede ser vista como si tuviera dos enlaces de E@electrones y un enlace de ?@electrones, lo que !ustifca su paramagnetismo y su orden +ormal de enlace de ?.* #as mol"culas con nmero impar de electrones suelen ser altamente reactivas. 5ste tipo de enlace sólo es estable entre átomos con electronegatividades similares. * E'$a!e ei"'a#" #os enlaces $e4ionados, tambi"n conocidos como enlaces banana, son enlaces en mol"culas tensionadas o impedidas est"ricamente cuyos orbitales de enlaces están +orados en una +orma como de banana. #os enlaces $e4ionados son más susceptibles a las reacciones que los enlaces ordinarios. 5l enlace $e4ionado es un tipo de enlace covalente cuya disposición geom"trica tiene cierta seme!ana con la +orma de una banana. doble enlace entre carbonos se +orma gracias al traslape de dos orbitales 0%bridos spE. 9omo estos orbitales no se encuentran e4actamente uno +rente a otro, al 0ibridarse adquieren la +orma de banana. E'$a!e >!S*e - >!S@e 5n el enlace de tres centros y dos electrones 2_Ec@?e_3, tres átomos comparten dos electrones en un enlace. 5ste tipo de enlace se presenta en compuestos defcientes en electrones, como el diborano. 9ada enlace de ellos 2? por mol"cula en el diborano3 contiene un par de electrones que conecta a los átomos de boro entre s%, con un átomo de 0idrógeno en el medio del enlace, compartiendo los electrones con los átomos de boro. 5l enlace de tres centros y cuatro electrones 2_Ec@Ce_3 e4plica el enlace en mol"culas 0ipervalentes. 5n ciertos compuestos aglomerados, se 0a postulado la e4istencia de enlaces de cuatro centros y dos electrones. 5n ciertos sistemas con!ugados Z 2pi3, como el benceno y otros compuestos aromáticos, y en redes con!ugadas sólidas como el grafto, los electrones en el sistema con!ugado de enlaces Z están dispersos sobre tantos centros nucleares como e4istan en la mol"cula o la red. E'$a!e ar"mti!" 5n muc0os casos, la ubicación de los electrones no puede ser simplifcada a simples l%neas 2lugar para dos electrones3 o puntos 2un solo electrón3. 5n compuestos aromáticos, los enlaces que están en anillos planos de átomos, la regla de ;c)el determina si el anillo de la mol"cula mostrará estabilidad adicional. 5n el benceno, el compuesto aromático protot%pico, 'L electrones de enlace mantiene unidos a J átomos de carbono para +ormar una estructura de anillo plano. 5l orden de enlace entre los di+erentes átomos de carbono resulta ser id"ntico en todos los casos desde el punto de vista qu%mico, con una valor equivalente de apro4imadamente '.*. 5n el caso de los aromáticos 0eteroc%clicos y bencenos sustituidos, las di+erencias de electronegatividad entre las di+erentes partes del anillo pueden dominar sobre el comportamiento qu%mico de los enlaces aromáticos del anillo, que de otra +ormar ser%a equivalente. E'$a!e met$i!" 5n un enlace metálico, los electrones de enlace están deslocaliados en una estructura de átomos. 5n contraste, en los compuestos iónicos, la ubicación de los electrones enlaantes y sus cargas son estáticas. Debido a la deslocaliación o el libre movimiento de los electrones, se tienen las propiedades metálicas de conductividad, ductilidad y durea.
;ay cuatro tipos básicos de enlaces que se pueden +ormar entre dos o más mol"culas, iones o átomos que de otro modo no estar%an asociados. #as +ueras intermoleculares originan que las mol"culas se atraigan o repelan unas a otras. Xrecuentemente, esto defne algunas de sus caracter%sticas +%sicas 2como el punto de +usión3 de una sustancia. Di)"$" )erma'e'te a #i)"$" )erma'e'te 6na gran di+erencia de electronegatividad entre dos átomos enlaados +uertemente en una mol"cula ocasiona la +ormación de un dipolo 2un par positivo@negativo de cargas el"ctricas parciales permanentes3. #os dipolos se atraen o repelen unos a otros. E'$a!e #e 9i#r(e'"
5nlace de 0idrógeno. 5n alguna +orma este es un e!emplo de un dipolo permanente especialmente +uerte. Sin embargo, en el enlace de 0idrógeno, el átomo de 0idrógeno está más cerca a ser compartido entre los átomos donante y el receptor, en un enlace E@c ?@e. #os enlaces de 0idrógeno e4plican el punto de ebullición relativamente alto de los l%quidos como el agua, amon%aco, y $uoruro de 0idrógeno, comparado con sus contrapartes más pesadas en el mismo grupo de la tabla periódica. Di)"$" i'ta't'e" a #i)"$" i'#&!i#" #os dipolos instantáneos a dipolo inducido, o +ueras de #ondon, son las interacciones más d"biles, pero tambi"n las más ubicuas, entre t"#a las sustancias qu%micas. Imagine el átomo de 0elio: en cualquier instante, la nube electrónica alrededor del átomo 2que, de otro modo ser%a neutral3 puede estar ligeramente desbalanceada, con momentáneamente más carga negativa en un lado que en el otro. 5sto es a lo que se refere como un dipolo instantáneo. 5ste dipolo, con su carga ligeramente desbalanceada, puede atraer o repeler a los electrones en los átomos de 0elio vecinos, estableciendo otro dipolo 2dipolo inducido3. #os dos átomos se estarán atrayendo por un instante, antes que la carga se rebalancee y los átomos se muevan. I'tera!!i(' !ati('S)i #a interacción catión@pi se presenta entre la carga negativa localiada de los electrones de un orbital pi, ubicados sobre y deba!o del plano de un anillo aromático, y una carga positiva. E$e!tr"'e e' $" e'$a!e 4&0mi!" 5n el l%mite 2irreal%stico3 del enlace iónico puro, los electrones están per+ectamente localiados en uno de los dos átomos en el enlace. ales enlaces pueden ser interpretados por la +%sica clásica. #as +ueras entre los átomos están caracteriadas por potenciales
electrostáticos continuos isótropos. Su magnitud es una proporción simple a la di+erencia de cargas. #os enlaces covalentes se entiende me!or por la teor%a del enlace de valencia o la teor%a del orbital molecular. #as propiedades de los átomos involucrados pueden ser interpretadas usando conceptos tales como nmero de o4idación. #a densidad electrónica en el enlace no está asignada a átomos individuales, en ve de ello está deslocaliada entre los átomos. 5n la teor%a del enlace de valencia, los dos electrones en los dos átomos se empare!an con una +uera de enlace que depende del traslape entre los orbitales. 5n la teor%a del orbital molecular, la combinación lineal de orbitales atómicos 29#73 ayuda a describir las estructuras de orbitales moleculares deslocaliados y las energ%as basadas en los orbitales atómicos de los átomos de los que proviene. 7 di+erencia de los enlaces iónicos puros, los enlaces covalentes pueden tener propiedades de direccionalidad 2anisotrop%a3. 5stas pueden tener sus propios nombres, como sigma y pi. 5n el caso general, los átomos +orman enlaces que son intermedios entre iónico y covalente, dependiendo de la electronegatividad relativa de los átomos involucrados. 5ste tipo de enlace es llamado algunas veces enlace covalente polar. B. 6UNCIONE; QUIMICA;
5n qu%mica, el grupo de algunas sustancias compuestas que poseen )r")ie#a#e propiedades qu%micas seme!antes, denominadas %&'!i"'a$e, recibe el nombre de %&'!i(' 4&0mi!a. 9uando un determinado compuesto posee caracter%sticas como acide o basicidad, solubilidad en agua, reactividad de acuerdo con determinada +unción qu%mica, se dice que este pertenece a esta +unción qu%mica. #as +unciones qu%micas son divididas de acuerdo con la división clásica de la qu%mica. 54isten cuatro tipos de +unción inorgánica: ó4ido, ácido, base y sal. 5l criterio de clasifcación de una sustancia en una de esas +unciones es el tipo de iones que se +orman cuando ella es disuelta en agua. 5n +unción de la naturalea ine4istente de los compuestos qu%micos, las +unciones pueden primariamente ser divididas entre %&'!i"'e i'"r'i!a que son las +unciones de compuestos que no poseen cadena carbonada, que es la principal caracter%stica de esos compuestos. 5stán divididas en ácidos, bases, sales y ó4idos y %&'!i"'e "r'i!a que son las relativas a los compuestos orgánicos. OIDO; #os [4idos son compuestos binarios en que el elemento o4%geno presenta nmero de o4idación igual a @? y es el más electronegativo de la +órmula, volvi"ndolo al elemento más potente. C$ai!a!i(' #e $" (i#"
!i#" a'0#ri#" 'e&tr" a'%(ter"
e ?7 " metales con no4 M*, MJ e MK y ametais con cualquier no4, e4cepto 9M?, /M' y /M? 9M?, /M' e /M? #os más comunes están +ormados por los metales aI, Da, 8u/, Da, 8r7, 8eA87
SE, 9l?, An?K /, 9, /? 7l?E, An?, n, &b, Sn
a$i'" mit" " metales con no4 medio MLNE &bEC, XeEE #"+$e bs: los ó4idos an+óteros se comportan como ó4idos básicos en presencia de ácidos y como ó4idos ácidos en presencia de bases. bs?: los ó4idos mi4tos son la _suma_ de los ó4idos +ormados por un elemento, o sea, es una nube con todos los tipos de ó4idos de ese elemento: Xe M Xe?E XeEC N"me'!$at&ra #e $" (i#"
o
o o o
o o o
9omo pueden ser obtenidos a trav"s de la 0idratación de los ó4idos ácidos, 0ay la misma sistemática de nomenclatura. ácido M pref!o M elemento M suf!o '" )re3" &3" W1 " W* 0ipo oso W> " W@ @ oso W " WB @ ico W7 20i3per ico bs: cuanto menos o4%geno, menor es el no4 del elemento central y cuanto más o4%geno, mayor es el no4 del mismo, como muestran los e!emplos aba!o. 5!emplos: ácido 0ipocloroso 2no4 9l M'3 ácido cloroso 2no4 9l ME3 ácido clórico 2no4 9l M*3 ácido perclórico 2no4 9l MK3 ae 8ases son, segn 7rr0enius, compuestos que en medio acuoso se disocian, liberando como anión y un catión di+erente de . #a teor%a actual de #eWis defne como base una sustancia capa de donar un par de electrones. C$ai!a!i(' #e $a +ae que son moleculares por su propia naturalea N"me'!$at&ra #e $a +ae
•
C$ai!a!i(' #e $a a$e
'. 4isales: poseen o4%geno 5!emplos: , + #e a!&er#" !"' $a )ree'!ia #e H W & OHS '. Sal normal: está +ormado por la neutraliación completa entre un ácido y una base. /o posee ni ; M ni ;@ 5!emplo: '. ;idrogenosal o 0idro4isal: está +ormado en una reacción de neutraliación cuando el ácido y la base no están en proporción estequiom"trica. Siendo as%, 0ay una neutraliación parcial, sobrando ;M u ;@ 5!emplo 20idrogenosal3: o
o
o
o
5!emplo
20idro4isal3:
'. Sal mi4ta: la sal presenta en su +órmula más de un catión o más de un anión di+erentes. 5stá +ormado a partir de neutraliación de un ácido por más de una base o de una base por más de un ácido. 5!emplo: o
N"me'!$at&ra #e $a a$e " W@ it" @ oso W " WB at" @ ico W7 at" 20i3per ico E!e)!i"'e: 9omo los elementos 8ME, 9MC y SiMC solo poseen suf!o _ico_ en la +orma de ácido, cuando son sales, se usa siempre el suf!o _ato_. 5!emplos: 2no4 / ME3 nitrito de potasio 2no4 9l M'3 0ipoclorito de sodio 2no4 An MK3 permanganato de potasio bs: cuando en la +órmula del sal 0ay un 0idrógeno, agregamos el pref!o _bi_ al nombre del catión. bicarbonato de sodio 7. ALANCEO DE ECUACIONE; QUIMICA; 1.1 $+>A+!? 5>@%!+A
5s la representación gráfca o simbólica de una reacción qu%mica que muestra las sustancias, elementos o compuestos que reaccionan 2llamados reactantes o reactivos3 y los productos que se obtienen. #a ecuación qu%mica tambi"n nos muestra la cantidad de sustancias o elementos que intervienen en la reacción, en s% es la manera de representarlas.
1.* #$A++!? 5>@%!+A
5s tambi"n llamado cambio qu%mico y se defne como todo proceso qu%mico en el cual una o más sustancias su+ren trans+ormaciones qu%micas. #as sustancias llamas reactantes se combina para +ormar productos. 5n la reacción qu%mica intervienen elementos y compuestos. 6n e!emplo de ello es el 9loruro de Sodio 2/a9l3 o comnmente conocido como _sal de mesa_ o _sal comn_. #a di+erencia entre una ecuación y una reacción qu%mica es simple: 5n la ecuación es la representación simbólica lo cual utiliamos letras, s%mbolos y nmeros para representarla, mientras que en la reacción qu%mica es la +orma _practica_ de la misma 29uando se lleva a cabo3. 1.> "AA+$1 B$ >A $+>A+!? 5>@%!+A
8alancear una ecuación signifca que debe de e4istir una equivalencia entre el nmero de los reactivos y el nmero de los productos en una ecuación. #o cual, e4isten distintos m"todos, como los que veremos a continuación &ara que un balanceo sea correcto: _#a suma de la masa de las sustancias reaccionantes debe ser igual a la suma de las Aasas de los productos_ Veremos E tipos de balanceo de ecuaciones qu%micas: 8alanceo por 7/5, ID@5D699I[/ 25D3 k A75A7I9 7#G587I9: ALANCEO POR TANTEO
&ara balancear por este o todos los demás m"todos es necesario conocer la #ey de la conservación de la materia, propuesta por #avoisier en 'KKC. Dice lo siguiente _5n una reacción qu%mica, la masa de los reactantes es igual a la masa de los reactivos_ por lo tanto _#a materia no se crea ni se destruye, solo se trans+orma_ 9omo todo lleva un orden a seguir, "ste m"todo resulta más +ácil si ordenamos a los elementos de la siguiente manera: 8alancear primero
Aetales yNo no metales 4%genos ;idrógenos De esta manera, nos resulta más +ácil, ya que el mayor con$icto que se genera durante el balanceo es causado principalmente por los o4%genos e 0idrógenos. 8alancear por el m"todo de tanteo consiste en colocar nmeros grandes denominados _9oefcientes_ a la derec0a del compuesto o elemento del que se trate. De manera que anteando, logremos una equivalencia o igualdad entre los reactivos y los productos. 5!emplo: 8alancear la siguiente ecuación qu%mica:
9ontinuamos: -9uántos o4%genos 0ay en el primer miembro 5ncontramos C porque E mas ' es igual a C k -9uántos en el segundo 5ncontramos J porque el dos 2situado a la iquierda del Xe3 se multiplica por el sub%ndice encontrado a la derec0a del par"ntesis fnal y se multiplica ?E J &or lo tanto en el segundo miembro 0ay J o4%genos. 5ntonces colocamos un E del lado iquierdo del 0idrógeno en el primer miembro para tener J o4%genos
&osteriormente, Vamos con los 0idrógenos, en el primer miembro vemos que 0ay J 0idrógenos y en el segundo igualmente J. 5ntonces concluimos de la siguiente manera:
&or lo tanto, la ecuación está balanceada. ALANCEO POR EL MXTODO DE IDOSREDUCCIN
5s tambi"n denominado _edo4_ y consiste en que un elemento se o4ida y 20ablar de o4idación se refere a que un elemento pierda electrones y su valencia aumente3 el otro se reduce 2cuando el elemento gana electrones y su valencia disminuye3 para "ste m"todo se siguen los siguientes pasos o reglas: •
'. odos los elementos libres que no +ormen compuesto, tendrán valencia cero
•
?. 5l 0idrógeno tendrá valencia de M' e4cepto en 0idruros con @'
•
E. 5l o4%geno tendrá valencia de ?@ e4cepto en los peró4idos con @'
•
C. #os alcalinos tienen en sus compuestos o4idación M'
•
*. #os alcalinot"rreos tienen en sus compuestos o4idación M?
•
J. #os alógenos tienen en sus compuestos con aluros o4idación @'
•
K. #a suma de los nmeros de o4idación de todos los átomos de un compuesto es igual a la carga de los compuestos
•
L. Si algn átomo se o4ida su numero de o4idación aumenta y cuando un átomo se reduce, su numero de o4idación disminuye 5!emplo: 8alancear la siguiente ecuación:
Si vemos la primera regla, esta nos dice que todos los elementos libres tendrán valencia cero, entonces vemos la ecuación y localiamos a los elementos libres, en este caso son el ferro y el 0idrógeno, colocamos un cero como valencia.
9ontinuamos con las demás reglas y encontramos a los o4%genos e 0idrógenos y les asignamos la valencia que les corresponde, establecidas en las reglas:
&ara continuar, obtenemos la valencia de los elementos que nos sobran, en este caso el au+re y el ferro: 6biqu"monos en el au+re 2S3 del primer miembro en la ecuación
y posteriormente obtendremos la valencia del au+re. uede claro que la del 0idrógeno y la del o4%geno ya la tenemos. &ara obtener la valencia del au+re, simplemente 2pon muc0a atención aqu%3 vamos a multiplicar la valencia del o4%geno por el nmero de o4%genos que 0ay. 25n este caso 0ay C o4%genos3 y 0acemos lo mismo con el 0idrógeno, multiplicamos su valencia por el nmero de o4%genos que 0ay. ueda de la siguiente manera
ka que tenemos los resultados, a0ora verifcamos que todo elemento qu%mico es el"ctricamente neutro y lo comprobamos de la siguiente manera: enemos que llegar a cero. 8uscamos cuanto +alta de dos para oc0o. 5ntonces encontramos que +altan J, este nmero será colocado con signo positivo M
5l J que acabamos de obtener es la valencia del au+re en el primer miembro. 6biqu"monos en el ferro del segundo miembro en donde se encuentra el compuesto
#ocaliamos al ferro. &ara obtener su valencia primero denominamos si es monovalente o divalente etc. ka que vimos que es divalente, necesitamos saber la valencia del radical sul+ato, en este caso es
&ara obtener la valencia del ferro, multiplicamos la valencia del radical 2@?3 con el sub%ndice que se encuentre +uera del mismo Despu"s lo dividimos entre el nmero de ferros que 0ay en el compuesto 2en este caso 0ay dos ferros3 ueda de la siguiente manera: ? E J JN? E 5l tres que acabamos de obtener es la valencia del ferro. ue nos quede claro, ya tenemos la valencia del ferro que es E, ya tenemos la valencia del o4%geno que es @?, a0ora nos +alta la valencia del au+re 2S3 lo cual realiaremos algo similar con lo dic0o con anterioridad: Aultiplicamos la valencia del radical sul+ato 2@?3 con el sub%ndice 2E3 y despu"s con el nmero de o4%genos que 0ay dentro del par"ntesis 2C3.
btenemos un total de ?C. 5ste nmero que resultó se le llama valencia parcial Despu"s continuamos con el ferro. 70ora ya que tenemos que la valencia del ferro es E entonces multiplicamos la valencia por el numero de ferros que 0ay 20ay ?3 k nos da un resultado de J. 5ntonces: enemos J y tenemos @?C, de J a ?C -9uánto +alta espuesta: M'L 70ora el 'L lo dividimos entre el nmero de au+res que 0ay: nos da un total de J o sea MJ. k de esta manera ya obtuvimos todas las valencias del compuesto qu%mico:
70ora, vamos a verifcar cuál elemento se o4ida y cual se reduce, para esto, c0equemos las valencias de los elementos, debemos verifcar que en los dos miembros est"n iguales. Si vemos al ferro en el primer miembro y luego lo vemos en el segundo. 5ncontramos que sus valencias ya no son las mismas por tanto el elemento se está o4idando porque aumenta su valencia de cero a E
70ora, si nos f!amos en el 0idrógeno del primer miembro, se está reduciendo con el 0idrógeno del segundo miembro:
5ntonces la ecuación queda de la siguiente manera:
70ora, para poder completar el balanceo, 2atención3 vamos a intercambiar los nmeros que se o4idaron o redu!eron. 5sto es el E y el '. 5l E lo colocaremos en el lugar del ' y el ' en el lugar del E
5stos nmeros resultantes se colocan de lado iquierdo de los elementos que se o4idaron o redu!eron. 5l nmero ' 2que por lo general no se escribe3 se coloca de lado iquierdo del ferro en los dos miembros. 5l nmero E se coloca de lado iquierdo del 0idrógeno en los dos miembros quedando de la siguiente +orma:
5ntonces de esta manera podemos deducir que la ecuación está balanceada, pero, no es as%, uno de los pasos para terminarla es: _6na ve obtenidos los nmeros de la ecuación, se completará con m"todo de tanteo_. Verifcamos si as% está balanceada: ' Xe ? E S E '? '? J ; J 9on este insignifcante ? que acabos de encontrar en el ferro del segundo miembro #7 59679I[/ / 5S 87#7/957D7 aunque los demás átomos lo est"n. 9ompletamos por tanteo 5n el primer miembro 2Xe3 0ay ' átomo, en el segundo ?, entonces colocamos un ? en el primer miembro yw k7 5S 87#7/957D7.
#eer más: 0ttp:NNWWW.monografas.comNtraba!osLENbalanceo@ecuaciones@ quimicasNbalanceo@[email protected]EriL/+&0 8. ;OLUCIONE;
6na solución es una mecla 0omog"nea de dos o más sustancias. 5stas sustancias pueden ser sólidas, l%quidas y gaseosas. #as soluciones, tambi"n llamadas B!31>+!1$3, son uniones +%sicas entre dos o más sustancias que originan una mecla de tipo 0omog"nea, la que presenta uni+ormidad en todas sus partes.
Im)"rta'!ia #e $a "$&!i"'e
@ #a materia se presenta con mayor +recuencia en la naturalea en +orma de soluciones, dentro de las cuales se llevan a cabo la gran mayor%a de los procesos qu%micos. @ Auc0as de estas meclas son soluciones y todas ellas rodean a los seres vivos 2agua de mar, de r%o, suelo, aire, sustancias comerciales, etc.3, por lo que nuestra e4istencia depende de las mismas, en menor o mayor grado. 7demás, en el interior de una persona e4isten soluciones tales como la saliva, sangre, orina, ácidos y bases diluidos, etc. @ #a industria genera infnidad de soluciones en +orma de drogas, medicinas, desin+ectantes, bebidas gaseosas, cosm"ticos, etc.
Eta#" #e $a "$&!i"'e Se sabe que toda la materia del mundo se presenta +undamentalmente en E estados +%sicos o de agregación, y en igual modo se presentan las soluciones en la naturalea, as%: a. 3oluciones sólidas. odas las aleaciones, como el latón 2cobre con inc3, bronce 2cobre con es ta1o3, acero 2carbono con 0ierro3, etc. +. 3oluciones líquidas. 9omo @ Sólido en l%quido: sal disuelta en agua> acar disuelta en agua, etc. @ #%quido en l%quido: alco0ol disuelto en agua, etc. @ Gas en l%quido: o4%geno en agua, el gas carbónico en los re+rescos, etc. !. 3oluciones gaseosas. 9omo el aire, que es una solución +ormada por varios gases 2solutos3, ta les como el dió4ido de carbono, o4%geno y argón, los cuales están disueltos en otro gas llama do nitrógeno 2solvente3. tros e!emplos son la niebla y el 0umo. 7s%, las soluciones pueden ser sólidas, liquidas y gaseosas, y estar +ormadas por gases 2soluto3 en gases 2solvente3, gases en l%quidos, sólidos en l%quidos, l%quidos en l%quidos y sólidos en só@ lidos. 5sto es que, el soluto puede ser un gas, un l%quido o un sólido, e igual el solvente. Ti)" #e "$&!i"'e !"'!e'tra!i(' #e $a "$&!i"'e #as soluciones se pueden clasifcar de dos maneras: segn la cantidad de soluto presente en la solución 2concentración3, y segn el tama1o o diámetro de las part%culas del soluto 2suspensión nes, soluciones coloidales y soluciones verdaderas3. #as soluciones var%an entre s% por su concentración, y una misma clase de solución puede pre sentar di+erentes tipos de concentraciones> por e!emplo, si se tienen tres vasos llenos de agua y al primero se le agrega una cuc0arada de acar, al segundo tres cuc0aradas y al ltimo seis, entonces se está ante una misma clase de solución 2agua aucarada3 y tres di+erentes tipos de concentración. 5n base a la cantidad de soluto presente en las soluciones, estas se clasifcan en: a. 3olución diluida o insaturada . 5s aquella en la que e4iste muc0o menos soluto y muc0o más solvente.
b. 3olución saturada. 5s aquella que contiene la má4ima cantidad de
soluto que el solvente puede diluir o des0acer, por lo tanto, cualquier cantidad de soluto que se a1ada no se disolverá> la solución sigue teniendo menos soluto y más solvente. c. 3olución sobre-saturada. #as cantidades e4tras de soluto agregadas a la solución saturada ya no se disuelven, por lo que se dirigen 0acia el +ondo del recipiente 2precipitado3. ;ay e4ceso de soluto, pero siempre 0ay más solvente. d. 3olución concentrada. 5s aquella cuya cantidad de soluto es mayor que la del solvente. 6"rma #e e)rear $a !"'!e'tra!i(' - +oncepto de concentración. 5ste t"rmino es uno de los más importantes en el tema de las soluciones, y se refere a las cantidades o proporciones tanto del soluto como del solvente. De manera simple, la concentración de una solución se defne como "la cantidad de solto !e a# en na solci$n%
#as cantidades del soluto y del solvente se pueden relacionar entre s%, con el propósito de establecer la proporción en que se encuentran ambos dentro de una solución> en otras palabras, en una solución 0abrá una cierta cantidad de soluto disuelta por una cierta cantidad de solvente, lo que se puede calcular mediante el empleo de ciertas +ormulas sencillas. @ Cormas de expresar la concentración. &or lo general, los envases de drogas, medicinas y otros productos muestran la concentración de la sustancia que contienen. #a cantidad de soluto presente en una determinada cantidad de solvente o solución puede indicarse o e4presarse de di+erentes modos, por e!emplo: a. 5n partes por millón 2ppm3, por e!emplo: AgNl 2miligramos de soluto por litro de solución o muestra3. AgN)g 2miligramos de soluto por )ilogramo de solución o muestra3. b. 5n porcenta!e 2porcenta!e de soluto presente por cada '(( partes de solución3 c. 5n molar 2moles de soluto por litro de solución, o sea molaridad3. d. 5n molal 2moles de soluto por )ilogramo de solvente, o sea molalidad3. e. 5n equivalente@gramo por litro 2/ormalidad3.
F. )H Q&e e e$ )H[
5l p; es el grado de aide de una sustancia, es decir la concentración de iones de ; M en una solucion acuosa, t"rmino 2del +ranc"s pouvoir 0ydrogne, ^poder del 0idrógeno^3 el p; tambi"n se e4presa a menudo en t"rminos de concentración de iones 0idronio. 5l agua y todas las soluciones acuosas contiene concentración de ; M , si no iones de ; @ .5n el agua pura se cumple que la concentración de iones ; M es igual a la concentración de iones ; @, por eso se dice que el agua es neutra.M
9omo las concentraciones de iones ; M de y ; @ son muy peque1as, en 'B(B, el qu%mico dan"s Sorensen defnió el potencial 0idrógeno 2 p; 3 como el logar%tmo negativo de la concentración molar 2 mas e4actamente de la actividad molar 3 de los iones 0idrógeno. 5sto es: p; @ log <; M=
Desde entonces, el t"rmino p; 0a sido universalmente utiliado por la +acilidad de su uso, evitando asi el mane!o de ci+ras largas y comple!as. &or e!emplo, una concentración de <;M= '4'(@L A 2(.((((((('3 es simplemente un p; de L ya que : p; @ log<'(@L= L #a relación entre p; y concentración de iones ; se puede ver en la siguiente tabla, en la que se incluyen valores t%picos de algunas sustancias conocidas. *. I'ter)reta!i(' #e $a e!a$a #e )H
#a escala de p; se establece en una recta num"rica que va desde el ( 0asta el 'C.5l nmero K corresponde a las soluciones neutras. 5l sector iquierdo de la recta num"rica indica acide, que va aumentando en intensidad cuando más le!os se está del K.&or e!emplo una solución que tiene el p; ' es más ácida o más +uerte que aquella que tiene un p; J. De la misma manera, 0acia la derec0a del K las soluciones son básicas y son más +uertes o más básicas cuanto más se ale!an del K. &or e!emplo, una base que tenga p; 'C es más +uerte que una que tenga p; L >. C"m" e 9a$$a E$ Va$"r #e )H [
5l p; es de valor negativo del e4ponente de la concentración para conocer el p; de la ciudad .&or e!emplo Si la concentración es '( '' el p; es '' Si la concentración es '(@C el p; es C &ara 0allar la concentración de iones de ;idró4ido dividimos: '( 'C
zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz la concentración de la base
&or e!emplo: Si el p; es E, la concentración de iones 0idronio es '( E A y la
concentración '( 'C N '( el p; ''
de E A,
iones que es
de ;idró4ido '( 'C@2@E3 '(
es: '' A
@. Am"rti&a#"re De )H
6n amortiguador es una solución que resiste los cambios de p; cuando se le agregan peque1as cantidades de ácidos o de base .#as soluciones amortiguadoras se preparan con un ácido o una base d"bil y una de sus sales. &or e!emplo, se puede preparar una solución amortiguadora con la base d"bil amoniaco 2/;E 3 y una sal de amonio, como cloruro de amonio 2/;C9l 3. Si se le a1ade un ácido, el /;E , reacciona con los iones ; M
/;E M ;M9l@ /;C9l
8ase d"bil ácido sal de amonio
Si se le a1ade una base a la sal, el ion amonio de la sal reacciona con el ; de la base y se +orma nuevamente amoniaco y agua:
/;C9l M /a ; /;E M /a9l M ;?
tros e!emplos de soluciones reguladores son el ácido +os+órico, +os+ato monopotásico, el ácido carbónico y el ion bicarbonato . E$ am"rti&a#"r #e '&etra a're
5l p; de nuestra sangre var%a entre K,E y K,* . #a muerte se produce greneralmente cuando el p; es menor que K o mayor que K,B .
9ualquier sustancia puede variar su p; cualdo se le agrega otra di+erente, pero nuestra sangre mantiene inalterable su p; a pesar de las reacciones que se le generan en nuestro organismo. Aientras nos mantenemos con
