AGRADECIMIENTOS
PRÓLOGO
Ante todo queremos agradecer a nuestras familias por su apoyo y comprensión.
Este proyecto surge de la necesidad de encontrar nuevos enfoques y perspectivas que resulten atractivos y despierten el interés por el conocimiento en general y el entusiasmo por el mundo de la Química.
Quisiéramos dar las gracias a nuestros alumnos porque son ellos el motivo de nuestra continua búsqueda de nuevas estrategias de enseñanza. Finalmente, un agradecimiento muy especial a nuestros colegas por su apoyo entusiasta.
2a EDICIÓN, 2015 Montevideo - Uruguay Autores: Banchero, Carina | Calvo, Roberto | Pazos, Alison | Rebollo, Cristina
El libro fue realizado en un lenguaje coloquial y un diseño en mosaico pensando en el adolescente actual. Cada capítulo, además de incluir información relevante sobre el tema, aporta: diferentes aplicaciones, imágenes que consolidan y amplían los conceptos, actividades experimentales novedosas, tópicos de profundización, lecturas atractivas que sirvan para enriquecer el acervo cultural del estudiante y actividades de evaluación (preguntas, problemas, ejercicios y actividades lúdicas).
ÍNDICE 1 0 o l u t í p a C
2 0 o l u t í p a C
CÓMO SE PRESENTA LA MATERIA La discontinuidad de la materia ............................................... .................................... ...........................8 .........8 Estados físicos de la materia............................ .................................... .................................... ....................................9 ..................9 Estudio de los sistemas materiales .................................... .................................... ..............................11 ............11 Mezclas heterogéneas.................................... .................................... .................................... ....................................12 ..................12 Mezclas homogéneas.................................. .................................... .................................... .................................... .....................14 ...14 Una mirada a las mezclas desde una perspectiva partícula-vacío .......15 Actividades experimentales.................................. .................................... .................................... ...........................16 .........16 Para reflexionar: “Uso de colorantes en nuestra alimentación” .............17 ...........17 Una mezcla heterogénea: “Tortilla de papas deconstruida” ...................18 .................18 Actividades .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................19 ...19
ELECTRONES Y UNIONES QUÍMICAS El rol de los electrones............................... .................................... .................................... .................................... .......................76 .....76 Química y periferia.................................................. .................................... .................................... .............................76 ...........76 La energía de los electrones en el átomo ..................... .................................... .................................77 ...............77 Para profundizar: “Un vistazo al átomo mecánico-cuántico mecánico-cuántico””..................78 Periferia y Ley Periódica............................................. .................................... .................................... ........................79 ......79 Distribución electrónica y estabilidad química ............................... ..............................83 ............83 Uniones químicas.................................. .................................... .................................... .................................... .............................84 ...........84 Propiedades y enlace ................................... .................................... .................................... .................................... .....................92 ...92 Para profundizar: “Hacia una visión unitaria del enlace químico”.........95 Paraprofundizar: “Una miradaestructural”.................................... .................................96 ...............96 Actividades .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .......................97 .....97
LAS SUSTANCIAS Y LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
LAS SOLUCIONES Y LA SOLUBILIDAD Introducción................................... .................................... .................................... .................................... ....................................104 ..................104 Soluciones.................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................105 ...105 Concentración Concentrac ión de las soluciones................................................. .................................... ...................107 .107 Solubilidad................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................110 ...110 Paraprofundizar:“Solubilidad de los gases”.................................. ...............................112 .............112 Actividades .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .....................113 ...113
Introducción.................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .....................24 ...24 ¿Soluciones o cuerpos puros? ............................................... .................................... ............................25 ..........25 Concepto de sustancia................................................. .................................... .................................... ......................27 ....27 Procesos físicos y químicos...................................... .................................... .................................... .........................28 .......28 Las sustancias y los elementos químicos ..................... .................................... ..................................30 ................30 Descomposición del azúcar........................................... .................................... .................................... ................... 32 Símbolos químicos........................ .................................... ..................................... ..................................... ....................................32 ..................32 Para reflexionar: “Gas dicloro (Cl 2)” .................................... .................................... ...............................33 .............33 Ley de Proust.................. Proust.................................... .................................... .................................... .................................... ....................................34 ..................34 Actividades .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................37 ...37
3 0 o l u t í p a C
4 0 o l u t í p a C
C a p í t u l o 0 6
ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS Y ÁCIDOS
Moléculas y átomos............................................ .................................... .................................... .................................42 ...............42 Modelos moleculares................................... .................................... .................................... .................................... .....................43 ...43 Macromoléculas..................... .................................... .................................... .................................... .................................... ...........................44 .........44 Reacciones químicas.................................... .................................... .................................... .................................... .....................45 ...45 ¿Qué sucede con los átomos y las moléculas durante las reacciones químicas? ..47 Ley de la conservación de la masa y de los elementos químicos .........48 ......48 Para profundizar: “Rapidez de las reacciones” ......................... .................................... .....................49 ...49 Para profundizar: “Reacciones exo y endotérmicas”.................................49 ...............49 Una reacción química fundamental: “La combustión y la máquina a vapor” ....50 Actividades .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................51 ...51
Óxidos................................... Óxidos................. .................................... .................................... .................................... .................................... ..............................118 ............118 El dióxido de carbono y el calentamiento global ................................... ...................119 .119 Formulación de óxidos................................... .................................... .................................... ..................................120 ................120 Nomenclatura de óxidos .................................. .................................... .................................... ...............................123 .............123 Comportamiento Comportamient o ácido-básico de las sustancias ........................ ...............................125 .............125 Hidróxidos.................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................126 ...126 Nomenclaturay formulaciónde hidróxidos................... ................................... ............................126 ..........126 Ácidos inorgánicos .................................. .................................... .................................... .................................... ........................127 ......127 Formulación y nomenclatura de hidrácidos................ hidrácidos .................................. ...............................127 .............127 Formulación y nomenclatura de oxoácidos .................................. ...............................128 .............128 Escala de pH ................................... .................................... .................................... .................................... ....................................130 ..................130 Actividades experimentales.................................. .................................... .................................... .........................131 .......131 Formación de ácidos y bases a partir de óxidos .......................................132 ..........132 Para reflexionar:“La amenaza ácida...”..................................... .................................... ......................133 ....133 Para reflexionar: “El volcán Kawah Ijen, una mina de azufre mortal”. .............134 Actividades .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .....................135 ...135
ESTRUCTURA ATÓMICA Y TABLA PERIÓDICA
REACCIONES NUCLEARES
Partículas subatómicas................................... .................................... .................................... ....................................56 ..................56 Para profundizar:“Otras partículas”...................................... .................................... ...........................57 .........57 Número atómico, número másico e isótopos ............................ ....................................58 ..................58 Masa atómica de un elemento ................................ .................................... .................................... ........................60 ......60 Ley Periódica.................................... .................................... .................................... .................................... ....................................61 ..................61 Grupos o familias: metales alcalinos, halógenos y gases nobles ..........64 Para profundizar: “El hidrógeno, hidrógeno, un elemento muy particular” ............66 Metales, no metales y semimetales .......................... .................................... .................................... .....................67 ...67 Para profundizar: “Demócrito y sus átomos” ....................................... ...........................70 .........70 Actividades .................................... .................................... .................................... .................................... .................................... .....................72 ...72
Características de las reacciones nucleares ............................................... Características ...................141 .141 Radiactividad.................................... .................................... .................................... .................................... .................................144 ...............144 Emisiones radiactivas.................................... .................................... .................................... ....................................145 ..................145 Radiactividad natural.................................... .................................... .................................... ....................................145 ..................145 Fusión nuclear .................................. .................................... .................................... .................................... .................................147 ...............147 Cuento: “Aquella luna...”.................................. .................................... .................................... ..................................148 ................148 Fisión nuclear.................................... .................................... .................................... .................................... .................................149 ...............149 Bombas de fisión nuclear............................................. .................................... .................................... ...................150 .150 Centrales nucleares .................................... .................................... .................................... .................................... .....................151 ...151 Lectura:“ Viajero del espacio”......................................... .................................... ..................................152 ................152 Actividades .................................. .................................... .................................... .................................... .................................... .....................153 ...153
MOLÉCULAS, ÁTOMOS E IONES. REACCIONES QUÍMICAS
C a p í t u l o 0 5
C a p í t u l o 0 7
C a p í t u l o 0 8
CÓMO SE PRESENTA LA MATERIA
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1
LA DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA MODELO CIENTÍFICO
Los modelos científicos son ideas o representaciones que intentan explicar los fenómenos observados.
ESTADOS FISICOS DE LA MATERIA
LA DISCONTINUIDAD DE LA MATERIA Y LA NOCIÓN DE VACÍO….
PROPIEDADES MACROSCÓPICAS DE LOS ESTADOS FÍSICOS
La química tiene como objetivo estudiar la composición de la materia que forma los cuerpos y los cambios que ésta puede sufrir. Para esto ha recurrido a modelos mentales simples que explican la estructura interna de la materia.
La materia se presenta en varios estados físicos, los más comunes son el estado sólido, el líquido y el gaseoso.
Uno de los modelos más utilizados es el modelo partícula-vacío. ¿Qué propone este modelo? Propone que la materia está formada por partículas tan pequeñas que resultan invisibles al ojo humano. Entre las partículas que forman la materia no hay nada y ellas se encuentran en continuomovimiento.
EXPANSIÓN
Tendencia que tienen los gases a ocupar espontáneamente todo el volumen del recipiente donde se los transfiere.
Cada estado físico presenta propiedades macroscópicas diferentes. Los gases se expanden , por ejemplo, al exhalar anhídrido carbónico en una habitación cerrada, el volumen de éste será igual a la capacidad de la habitación. También pueden fluir, propiedad usada por ejemplo, en el sistema de gas por cañería, para que el combustible llegue a los hogares.
FLUIDEZ
Propiedad que tienen los gases y líquidos de desplazarse de un lugar a otro o pasar a través de orificios reducidos. Demócrito : filósofo Griego Presocrático (460-370 a.C.).
El primer hombre que al parecer sugirió que la materia era discontinua (partícula-vacío) fue el filósofo griego Demócrito que vivió entre los años 460 al 370 antes de Cristo. Aunque recién a finales del siglo XVII después de Cristo, la comunidad científica fue aceptando la utilización de este modelo para explicar el comportamiento de la materia. La materia se puede estudiar a tres niveles: macroscópico, microscópico y a nivel de partículas-vacío. La cantidad de azúcar que corresponde a una cucharadita contiene aproximadamente 12.000.000.000.000.000.000.000
1,2 x 1022 partículas (moléculas) de azúcar. Y además espacio vacío.
ACTIVIDAD Sabiendo que a cada letra se le asigna un símbolo diferente se puede descubrir una frase de Marie Sklodowska. Como ayuda el símbolo representa la letra E, el la letra N y el la letra I
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MAC ROS CÓPI CO
M IC ROS CÓPI CO
PARTÍCULA-VACÍO
Los líquidos también pueden fluir. En las zonas del planeta donde las temperaturas registradas en invierno son muy bajas, muchas viviendas quedan privadas de agua potable. Esto se debe a que cuando el agua solidifica no puede fluir libremente por las cañerías. Debido a esto, en física se les denomina fluidos tanto a gases como a líquidos. Sin embargo, a diferencia de los gases, el volumen de los líquidos no depende del recipiente que los contiene. Por ejemplo, si se traspasan 100mL de agua de una taza medidora a un bol donde se va a preparar cierta receta, el volumen del agua no cambia aunque el recipiente sea de mayor capacidad.
�GAS O VAPOR? Se habla de vapor para referirse a la fase gaseosa de una sustancia que a temperatura y presión ambiente existe también en estado líquido.
Los sólidos tienen volumen propio al igual que los líquidos, tienen forma definida y no fluyen como los líquidos y los gases.
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL: FORMACIÓN DE NUBES La siguiente experiencia trata de reproducir la formación de una nube. El objetivo es cuestionarse si la nube está formada de agua vapor o de agua líquida.
Paso 1
¿Cómo se procede? Se hierve agua y se la coloca en un recipiente de vidrio resistente a los cambios de temperatura. Luego se tapa el recipiente con un plato que contenga hielo en la parte superior.
Paso 2 ¿Cómo está formada una nube? Las nubes no son vapor de agua. El vapor de agua no es visible. Las nubes están formadas por pequeñísimas gotas de agua suspendidas en el aire.
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1
ESTADOS FÍSICOS DE LA MATERIA
ESTUDIO DE LOS SISTEMAS MATERIALES
MODELO PARTÍCULA�VACÍO ENERGÍA CINÉTICA
En el estado gaseoso , la energía cinética promedio de las partículas es mayor que en el estado líquido. Éstas pueden vibrar, rotar y desplazarse en cualquier dirección y las fuerzas de atracción entre ellas son muy débiles.
La energía cinética está relacionada con la velocidad de las partículas. Cuando la energía cinética aumenta, las partículas tienden a separarse.
El movimiento desordenado y al azar de las partículas en el estado gaseoso y la poca fuerza de atracción entre ellas, hace que el gas se expanda ocupando todo el recipiente que lo contiene.
CUARTO ESTADO. EL PLASMA
Se forma bajo condiciones energéticas extremadamente altas como pueden ser las elevadísimastemperaturas de la materia que compone una estrella. QUINTO ESTADO. CONDEN� SADO DE BOSE�EINSTEIN
Se consigue en ciertos materiales a muy bajas temperaturas, cercanas al 0 K (-273 ºC). Las partículas pasan a tener un nivel mínimo de energía. �LICUACIÓN O CONDENSACIÓN? Licuación: proceso que transforma un gas en un líquido. Puede producirse por descenso de temperatura o por aumento de presión. Condensación : proceso que transforma un vapor en un líquido.
SISTEMAS MATERIALES
Una aplicación de la ciencia muy en boga en la actualidad es la criminalística. Cuando los técnicos llegan al lugar del hecho deben primero delimitar la escena del crimen, o sea definir hasta donde llega la escena y que parte es el entorno , es decir definir el sistema y delimitarlo para lo cual acordonan la zona. ¿Cuál es la importancia de esta tarea? Si alguna muestra relevante queda fuera de la escena y no es fotografiada ni llevada a analizar, puede perderse una gran pista. Por ejemplo, si a unos metros del cuerpo hay una colilla de cigarro que no se consideró parte de la escena y justo era del homicida, se habrá perdido información fundamental para resolver el caso.
El movimiento de las partículas que forman la materia en estado sólido se restringe a la vibración. Las fuerzas de atracción son más intensas que en los estados líquido y gaseoso. Esta estructura ordenada y rígida hace que los sólidos no puedan fluir y que posean forma y volumen definidos.
La Criminalística se ocupa fundamentalmente de determinar en qué forma se cometió un delito o quién lo cometió.
SISTEMA
La capacidad de desplazamiento de las partículas es lo que explica que un gas pueda fluir de un lugar a otro o pasar a través de orificios reducidos. En el estado líquido , el movimiento de las partículas es más restringido, pero es suficiente para que puedan vibrar, rotar y desplazarse. La fuerza de atracción entre las partículas es mayor, existiendo asociaciones de varias de ellas. La posibilidad de desplazamiento de las partículas hace que los líquidos puedan fluir al igual que los gases. Pero a diferencia de éstos no se pueden expandir porque la fuerza de atracción entre las partículas que lo componen es más intensa.
LA CRIMINALÍSTICA
Un sistema es una porción del universo material que se debe delimitar claramente, es decir especificar que es lo que forma parte del sistema y que es lo que forma parte del entorno.
LOS SISTEMAS
Aquí queda definido cuál es el sistema y cuál el entorno, pero también se debe estudiar cómo interaccionan entre ellos. Se debe destacar que casi todas las escenas de un crimen son sistemas abiertos , y es muy importante la influencia del entorno sobre la escena del crimen. En este punto de la investigación se debe evaluar qué muestras son importantes para ser trasladadas y analizadas exhaustivamente en el laboratorio. Cada muestra se debe guardar teniendo la precaución de no contaminarla. Casi todos los recipientes con muestras son sistemas cerrados de manera que no puedan intercambiar materia con el ambiente. Algunas muestras deben ser refrigeradas para evitar que sufran alteraciones por efectos de la temperatura.
Los sistemas pueden ser abiertos, cerrados y aislados. Los aislados son sistemas ideales porque se supone que no intercambian materia ni energía con el ambiente. Los cerrados solo intercambian energía. Y los abiertos interaccionan totalmente con el entorno.
La materia puede cambiar de estado físico:
Dinitrógeno líquido : es dinitrógeno licuado mediante enfriamiento.
N C I Ó C A I F I L I D S O
C O N D O L E N S I C U A C A C I Ó N I Ó N
V A P O R I Z A C I Ó N
N S I Ó F U
ESTADO SÓLIDO
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ESTADO LÍQUIDO
SUBLIMACIÓN
SUBLIMACIÓN INVERSA
ESTADO GASEOSO
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1
MEZCLAS HETEROGÉNEAS LA SANGRE
MEZCLAS HETEROGÉNEAS
Aunque a simple vista la sangre parece ser una mezcla homogénea, en realidad es heterogénea. Si la observamos al microscopio podemos ver diferentes fases. El valor de las propiedades intensivas* no es igual en todos sus puntos.
Al llegar al laboratorio, se llevan a cabo diversos estudios, como identificación de ADN de diferentes muestras o estudios toxicológicos. Una investigación toxicológica consiste en un conjunto de procedimientos analíticos que comprenden la aislación, identificación y determinación cualitativa y/o cuantitativa de tóxicos presentes en diferentes muestras. Uno de los exámenes toxicológicos frecuentes es la investigación de cocaína en una muestra de sangre. Pero la sangre es una mezcla heterogénea y la cocaína se encuentra disuelta en la fase plasma sanguíneo de ella. El primer paso de la investigación toxicológica comienza entonces separando las fases de la mezcla sangre. Para ello se introduce una muestra de sangre en la centrífuga .
Al extraer el tubo de la centrífuga se observan a simple vista tres fases: el plasma sanguíneo de color amarillento (fase superior), los glóbulos blancos o leucocitos (fase intermedia) y glóbulos rojos eritrocitos o hematíes (fase inferior). El plasma sanguíneo está formado principalmente por agua donde se encuentran disueltos, entre otras cosas, glúcidos, lípidos, proteínas y desechos.
Sangre al microscopio óptico
FASE:
El plasma se traspasa a otro recipiente con la finalidad de extraer la cocaína. En este punto no se puede recurrir a un método de separación de fases debido a que la droga está disuelta. Se recurre a una técnica de fraccionamiento (se verán mas adelante), en este caso a la cromatografía. Normalmente se emplea cromatografía en capa fina (TLC) de gases (GC) o líquida (LC). En realidad lo más sofisticado para estos análisis es la GC conjuntamente con la espec-
Es una porción de materia que presenta idénticas propiedades intensivas* en todos sus puntos. MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES
Son procedimientos mecánicos que se aplican a mezclas heterogéneas con la finalidad de separar las fases.
MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE FASES NOMBRE
GRÁFICO
�CUÁNDO SE UTILIZA?
DECANTACIÓN LÍQUIDO - LÍQUIDO
Se utiliza para separar líquidos no miscibles.
Separación del agua y el aceite.
CENTRIFUGACIÓN
Se utiliza para separar dos fases de diferente densidad, sólido-líquido o líquido-líquido.
Separación de las fases de la sangre.
TAMIZACIÓN
Se utiliza para separar sólidos de diferente tamaño.
Tratamiento de residuos para separar sólidos.
FILTRACIÓN
Se utiliza para separar un sólido suspendido en un líquido o un gas.
Filtración del hollín, producto de la combustión del tabaco en los filtros de los cigarrillos.
DISOLUCIÓN SELECTIVA
Se utiliza para separar dos fases sólidas una de las cuales es soluble en determinado líquido.
El agua que percola hacia abajo del suelo, va disolviendo los componentes del suelo solubles en agua, y no los demás, transportando aquellos hacia capas más profundas.
IMANTACIÓN
Se utiliza para separar sólidos que son atraídos por un imán de otros que no los son.
Tratamiento de residuos sólidos urbanos para separar material metálico de otros desechos.
UN POCO MAS DE INFORMACIÓN… MEZCLASHETEROGÉNEAS Se pueden clasificar en
MACROSCÓPICAS Las fases se distinguen a simple vista. Ejemplo: agua y aceite.
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EMULSIONES Y SUSPENSIONES Para distinguir las fases se necesita de un microscopio. Ejemplo: leche
COLOIDES Para distinguir las fases se necesita de un ultramicroscopio. Ejemplo: gelatina.
* Propiedades intensivas : son aquellas propiedades cuyo valor no depende de la cantidad de materia.
EJEMPLOS DE USOS
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1
MEZCLAS HOMOGÉNEAS MEZCLAS HOMOGÉNEAS MEZCLA HOMOGÉNEA
Una mezcla homogénea presenta idénticas propiedades intensivas en todos sus puntos.
OPERACIONES DE FRACCIONAMIENTO
Son métodos que se aplican a las mezclas homogéneas con la finalidad de obtener porciones con diferentes propiedadesintensivas.
Las mezclas homogéneas presentan un aspecto uniforme aún siendo observadas al ultramicroscopio. Los u ltramicroscopios permiten visualizar porciones de materia no disueltas menores a 0,1µ debido a la iluminación lateral que reciben las muestras colocadas en un fondo oscuro. Si la muestra no es homogénea, como la gelatina, se observan puntos luminosos debido a que la luz al chocar con las porciones no disueltas se desvía, este fenómeno se conoce como efecto Tyndall . Muchas mezclas que a simple vista parecen homogéneas no lo son. Para verificarlo se puede iluminar la mezcla con una fuente de luz, puede servir una linterna o un láser. Si no se observa el haz de luz se confirma la homogeneidad de la mezcla. Si en cambio, el haz de luz se hace visible es porque se dispersó debido a que la mezcla es heterogénea. Otra forma de identificar una mezcla homogénea es teniendo en cuenta que pueden atravesar La niebla (mezcla heterogénea) todos los filtros y pasar todas las dispersa el haz de luz. operaciones de separación de fases sin obtener porciones con diferentes propiedades intensivas. Para extraer de una mezcla homogénea porciones con diferentes propiedades intensivas hay que someterlas a operaciones de fraccionamiento .
UNA PERSPEC TIVA PARTÍCULA�VACÍO UNA MIRADA A LAS MEZCLAS DESDE UNA PERSPECTIVA PARTÍCULA�VACÍO Ya se ha visto como el modelo discontinuo de la materia permite explicar su comportamiento en los diferentes estados físicos que presenta. También se puede utilizar este modelo para representar las diferentes mezclasestudiadas. Si se tiene un sistema formado por tetracloruro de carbono (sustancia no miscible en agua), agua y azúcar disuelta en el agua, ¿cómo se puede representar dicha mezcla? Primero, cabe destacar que la mezcla presentará dos fases líquidas. Una de ellas formada por el tetracloruro de carbono y otra por el agua y el azúcar.
GRÁFICO
�CUÁNDO SE UTILIZA? Simple: Se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido. Fraccionada: Se utiliza para separar dos líquidos de diferente punto de ebullición.
Obtención del agua destilada a partir del agua potable.
CRISTALIZACIÓN
Se utiliza para separar un sólido disuelto en un líquido. El sólido debe tener la propiedad de ser cristalizable.
Obtención del cloruro de sodio (sal de mesa) del agua de mar.
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Se utiliza para separar una mezcla basándose en la rapidez de desplazamiento diferencial de los componentes de la misma que se establece al ser arrastrados por una fase móvil (líquida o gaseosa) a través del medio cromatográfico que contiene la fase estacionaria (sólida o líquida).
Separación e identificación de una droga presente en una muestra.
0 partículas (moléculas) de
agua. 25.000.000.000.000.000.000.000
•
Tercero, las partículas de tetracloruro de carbono, el agua y el azúcar son diferentes por lo que se deben representar con diferentes dibujos.
partículas (moléculas) de azúcar.
MEZCLA A NIVEL MACROSCÓPICO
MEZCLA A NIVEL PARTÍCULAS-VACÍO
•1.800.000.000.000.000.000.000
EXPRESADO EN NOTACIÓN CIENTÍFICA •1,7 X 1023 moléculas de agua. •2,5 X 1022 moléculas de tetracloruro de carbono. •1,8 X 1021 moléculas de azúcar.
Referencias: Partículas de tetracloruro de carbono Partículas de azúcar Partículas de agua
CROMATOGRAFÍA
170.000.000.000.000.000.000.00
•
Segundo, la fase tetracloruro de carbono es más densa.
EJEMPLOS DE USOS
DESTILACIÓN
Si el sistema representado está formado por unos 5 mL* de agua, 4 mL* de tetracloruro de carbono y 1g de azúcar, a nivel partícula-vacío está formado por:
partículas (moléculas) de tetracloruro de carbono
La operaciones de fraccionamiento más comunes son: cromatografía, destilación,cristalización. NOMBRE
�CUÁNTAS PARTÍCULAS?
* Siguiendo lo establecido por el Sistema Internacional de Unidades debería usarse la unidad cm3 (submúltiplo del m3), pero cuando se trata de líquidos es más frecuente el uso del mL.
Si se tuviera esa cantidad de moléculas de agua en grageas de chocolate y se repartieran entre los habitantes del mundo, cada persona podría comer 1000 millones de grageas por día durante toda su vida.
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UNA MEZCLA HETEROGÉNEA
ACTIVIDADES
TORTILLA DE PAPAS DECONSTRUIDA GASTRONOMÍA MOLECULAR
En clases de Química es habitual el siguiente comentario: en la preparación de comidas (desde freir un huevo, asar carne, etc.), ocurren distintas transformaciones de las sustancias (proteínas, y otras). La secuencia lógica inversa -estudiar en el laboratorio de Química dichas transformaciones de los ingredientes culinarios, y luego en base a estos conocimientos inventar recetas- es el fundamento de la Gastronomía molecular.
En la parte inferior de la copa se ha colocado cebolla cortada en tiras julianas y frita en aceite de oliva a baja temperatura. Ha quedado caramelizada debido a que las cebollas contienen distintos glúcidos (sacarosa, glucosa). Se batieron tres yemas de huevo junto a tres cucharadas de agua caliente hasta que se formara una emulsión, constituyendo la capa intermedia. La lecitina de la yema actúa como agente emulsionante. El puré se prepara agregándole a las papas agua caliente de la cocción, una cucharada de crema doble y una gotas de aceite de oliva. Se emplea luego un gas a presión -monóxido de dinitrógeno, muy soluble en grasas y aceitespara obtener un puré con espuma, el que se dispone sobre la capa anterior.
os sis temas he terogéneos 1. Un alumno a firmó: “L a simple vis ta se disson aquellos en los que ¿Es correc to? E xplicar ”. fase una de más ue ting te. men clara ra demos trar que la san2. ¿Cómo se procedería pa génea? tero e cla h mez gre es una é una ca ji ta de alfileres. ¿Qu 3. Se cae en el azucarero s? carla sin to s rarla se haría para sepa n tes represen taciones a 4. Obser vando las siguie nivel par tícula- vacío: REPRESEN TACIÓN I
REPRESEN TACIÓN II
ases presen tes en cada b. Iden ti ficar el número de f mezcla. físico de cada fase. c. Indicar cuál es el es tado ue pueda corresponder a d. Proponer un e jemplo q represen tadas. clas mez s de la una cada s que se mencionan a cone. Escoger, de los mé todo para separar las fases en o piad apro tinuación, el a represen tada: éne terog cada mezcla he • Filtración • Decan tación • Tamización • Cen trifugación se coloca cier ta can tidad de 5. En un vaso de bohemia una pequeña can tidad elve disu l se cua la en agua tando el vaso se agrega os Rec ”. obre de c to fa ul de “s ar como se haría para len tamen te “aguarrás”. E xplic r separado. (El e”po cobr de to fa l ob tener el“su que la o tra fase ). “aguarrás”es menos denso
Tortilla de papas a la españoladeconstruida. Si con una cuchara de longitud adecuada, se levantan desde el fondo las distintas capas a la vez, al mezclarlas en la boca se degustan todos sus ingredientes -cebolla, huevo, papa, aceite- es decir: tortilla de papas a la española. Se la denomina deconstruida, ya que se realizó una “deconstrucción” de la clásica tortilla, exhibiendo sus distintos ingredientes por separado. Se produce un efecto psicológico por el contraste entre lo que la persona ve cuando le sirven la copa -que puede sugerirle un postre, un helado- y el aroma, gusto y temperatura al probar su contenido, ya que entonces percibe que es una tortilla de papas...
s represen tadas es homoa. Indicar cuál de las mezcla a. géne tero es he génea y cuál
REPRESEN TACIÓN III
REPRESEN TACIÓN I V
ACTIVIDADES 1. Señalar las descripciones que aparecen en el texto relacionadas con la Química. 2. Describir detalladamente el sistema preparado. 3. Averiguar cuál es el fundamento que explica la utilización de monóxido de dinitrógeno en esta receta y en la gastronomía en general. 4. Buscar una receta de cocina que utilice dinitrógeno líquido y fundamentar su utilización. 5. El color que toma la cebolla al freirla -así como el color de la carne cuando comienza a asarse- corresponde a una serie de transformaciones en glúcidos y proteínas por acción del calor, estudiadas inicialmente por el químico francés Luis Camilo Maillard. Obtener información sobre este tipo de transformaciones y tomar alguna fotografía sobre el tema. 18
19
1
ACTIVIDADES
ACTIVIDADES 5
A INVESTIGAR 1 El color que presenta un vegetal es conferido por los pigmentos que lo constituyen. La clorofila y la xantofila son ejemplos de pigmentos que contienen diversos vegetales.
7
AC TI VIDAD LÚDICA CRUCIGRAMA
A
2 B
a. Investigar cómo se puede proceder para extraer y separar clorofila y xantofila de un vegetal. Describir el procedimiento a utilizar. b. Explicar cada etapa así como el o los métodos empleados. c. Buscar información y escribir un breve resumen sobre dichos pigmentos.
4
C D 1
8
3
9
E 6
A INVESTIGAR 2
F
Los refrescos cola son una mezcla que contiene cafeína en una cantidadconsiderable.
G H
a. Investigar cómo se puede extraer cafeína de un refresco cola. Describir el procedimiento a utilizar. b. Explicar cada etapa así como el o los métodos empleados. c. Averiguar los efectos del consumo abusivo de refrescos cola en el organismo. I
VER TICALES de fases que se u tiliza para 1. Mé todo de separación ren te tamaño. dife de os sólid dos rar sepa donde las par tículas teria a ma de l o físic 2. Es tado tinuo mo vimien to. con en s y ada rden es tán deso que se u tiliza para to n mie iona fracc 3. Operación de disuel to en un ) ble taliza (cris lido separar un só líquido. ndo n de fases que se usa cua 4. Mé todo de separació solo inad term de en ble una de las fases es solu ven te y la o tra no. ás de una fase. 5. Sis tema que presen ta m ob tener, a par tir de i ten perm s que todo mé Los 6. porciones con di feren tes una mezcla homogénea, s. ís tica c ter cara des ieda prop 7. Con trario a lleno. que n tinuo de la ma teria propone 8. El modelo disco y … acío de v da tituí cons tá la ma teria es de fases que se u tiliza para 9. Mé todo de separación ido en un líquido o un end susp o separar un sólid gas. 20
HORIZON TALES ien to. A. Operación de fraccionam teria donde la fuerza de B. E s tado físico de la ma las supera a las de a tracción en tre las par tícu repulsión. n tan los gases. C. Propiedad que prese una fase. ta sen e pre a qu tem Sis D. idén ticas propiedades con teria ma de ión E. Porc sus pun tos. s odo en t s s tica c terí cara ses que se u tiliza de fa ón araci sep de F. Mé todo sólido me tálico. es un ses las fa e na d cuando u tercambia energía in sólo que teria ma G. Porción de o. con el en torn teria. H. Es tado físico de la ma mien to que se u tiliza para I. Operación de fracciona ren tes pun tos de de separar dos líquidos dife ebullición. 21
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LAS SUSTANCIAS Y LOS ELEMENTOS QUÍMICOS 23
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LAS SUSTANCIAS
LAS SUSTANCIAS
INTRODUCCIÓN
�SOLUCIONES O CUERPOS PUROS?
Salvo excepciones, en la naturaleza las sustancias se encuentran formando mezclas.
Los sistemas homogéneos pueden ser soluciones o cuerpos puros .
El aire que se respira, el agua que se bebe o el suelo que se pisa son mezclas. El siguiente esquema pretende, a modo de organizador gráfico, presentar los conceptos a desarrollar en este capítulo:
Cuando a un sistema homogéneo se le aplican operaciones de fraccionamiento, si éste se fracciona es una solución, si no se fracciona es un cuerpo puro. Las soluciones son mezclas homogéneas constituidas por más de una sustancia, por lo que se fraccionan por algún método de fraccionamiento. Los cuerpos puros son sistemas homogéneos que no se fraccionan por ningún método de fraccionamiento.
SISTEMAS HOMOGÉNEOS
Cabo Polonio. El aire, el agua de mar, el suelo son mezclas.
Si se puede fraccionar
SISTEMAS HOMOGÉNEOS SISTEMAS HOMOGÉNEOS
Si no se puede fraccionar
Solución
Cuerpo puro
Si se puede fraccionar
Solución
MÉTODOS DE FRACCIONAMIENTO
Si no se puede fraccionar
Cuerpo puro
Constituído por
Frutas, verduras y hortalizas, contienendistintas sustancias. La uva contiene glucosa y su piel antocianinas, la manzana y otras frutas fructosa, el limón vitamina C, el orégano limoneno y pineno.
Constituída por más de una
Si no se descompone
Sustancias simples
Por descomposición
Constituídas por
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Si se descompone
Sustancia compuesta o compuesto Constituídas por
Elementos En los medicamentos, los principios activos y los excipientes son sustancias .
SUSTANCIA
El suero fisiológico que se utiliza, por ejemplo, para limpiar heridas, es una solución constituida por agua y cloruro de sodio (sal de mesa).
El término “fraccionar” en Química refiere a los métodos que se aplican a sistemas homogéneos para obtener porciones con propiedades intensivas diferentes.
Constituído por
Constituída por más de una
SUSTANCIA
El término “puro”, en Química tiene un significado diferente al utilizado en el lenguaje cotidiano. Es común decir “aire puro”, “leche pura”, queriendo expresar que el aire y la leche no contienen componentes agregados que no sean los naturales. Ni la leche ni el aire son cuerpos “puros”desde el punto de vista químico, pues se fraccionan en porciones con propiedadesintensivasdiferentes .
La destilación es un método u operación de fraccionamiento que permite fraccionar, por ejemplo una muestra de suero fisiológico.
EL AIRE, UNA SOLUCIÓN GASEOSA El aire es una solución gaseosa , formada fundamentalmente por dinitrógeno (aproximadamente 79%) y dioxígeno (aproximadamente 21%). Dicha solución contiene además pequeñas cantidades de otros gases como el dióxido de carbono, el helio, el argón y vapor de agua. El aire se licua a temperatura muy baja, y el aire líquido se fracciona por destilación, lo que permite decir que el aire es una solución y no un cuerpo puro. Por el método mencionado se obtiene el dioxígeno de uso medicinal. Los gases que se desprenden del escape de los automóviles, los humos de las chimeneas especialmente de las fábricas, así como muchas otras actividades humanas, contribuyen a “contaminar” el aire, problemática que compromete e involucra a todos en la búsqueda de la sostenibilidad y sustentabilidad del planeta. 25
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LAS SUSTANCIAS En la naturaleza hay mezclas heterogéneas y homogéneas, es muy difícil encontrar cuerpos puros, se podría mencionar entre ellos el diamante. En la industria, se obtienen mezclas de productos que luego son separados y purificados, según el uso que se les vaya a dar. Así por ejemplo, se obtienen sustancias puras para análisis, técnicamente puras, o para uso comercial, que contienen distintos porcentajes de impurezas lo que determina sus costos. Diamante : se encuentra en la naturaleza como cuerpo puro.
Agua químicamente pura es muy difícil de obtener y más aún de conservar. El agua no existe en la naturaleza como cuerpo puro, sino que por su facilidad para disolver gases, sólidos y otros líquidos, en la mayoría de los casos se encuentra formando parte de soluciones. Las soluciones , son mezclas homogéneas que se pueden fraccionar por presentar más de una sustancia . Las sustancias que componen una solución se llaman soluto y disolvente o solvente . Éstas pueden encontrarse en diferentes estados físicos, por ejemplo el agua de mar contiene sólidos disueltos. El solvente o disolvente es la sustancia que disuelve a el o los solutos. El agua constituye el disolvente más común y a dichas soluciones se les llama acuosas .
El “agua de arroyo”, es un ejemplo de solución acuosa.
La relación entre las cantidades de los componentes de una solución, se llama concentración y puede expresarse en distintas unidades, las que se estudiarán en el capítulo 6.
ACTIVIDAD Responder la siguiente pregunta observando las imágenes de las etiquetas de dos marcas comerciales de agua mineral. ¿Cuál de las dos tiene mayor concentración de sodio?
LAS SUSTANCIAS CONCEPTO DE SUSTANCIA Cuando una mezcla homogénea se somete a operaciones de fraccionamiento, se obtienen diferentes porciones cuyo grado de pureza varía según el tipo de mezcla y el método de fraccionamiento utilizado. Obtener sustancias libres de impurezas es prácticamente imposible. Se puede obtener agua con un alto grado de pureza después de los correspondientes métodos de fraccionamiento, tanto de agua de mar, de un río, o de un manantial. No importa de dónde se obtenga el agua, el valor de sus propiedades características es igual (en iguales condiciones de temperatura y presión) . Las sustancias tienen valores fijos de las propiedades características . Estas propiedades que caracterizan y permiten identificarlas, son sus constantes físicas (punto de fusión, punto de ebullición, densidad, calor específico, etc.) Un cuerpo puro determinado, por ejemplo, una cierta cantidad de agua “pura”, está formado por la sustancia agua. Así un trozo de oro puro de 2g y otro trozo de oro puro de 8g, están formados por la misma sustancia, el oro. El azúcar comestible, es sacarosa de 99,8% de pureza, es quizás de los sistemas utilizados cotidianamente el que más se aproxima, a ser considerado sustancia “pura” desde el punto de vista químico, por la alta pureza del azúcar que se dispone para el consumo. Tiene un sabor dulce muy especial, que la distingue de otros edulcorantes como la sacarina, el aspartamo y la sucralosa. Poseen diferente poder edulcorante, por ejemplo el aspartamo es 30 veces más dulce que la sacarosa.
Una sustancia se identifica por un conjunto de propiedades características.
La sal de mesa es cloruro de sodio, pero contiene ciertas cantidades de fluoruro de sodio, yodato de potasio; por lo que se le llama sal yodofluorada.
Distintos edulcorantes que se comercializan.
El punto de fusión, por ejemplo, caracteriza a las sustancias puras, cuando ocurre el cambio de estado la temperatura permanece constante. Para diferenciar dos sustancias alcanza con que una de sus propiedades características sea distinta, su densidad por ejemplo. Pero si se tienen dos muestras, por ejemplo dos sólidos blancos de aspecto semejante, no alcanza con que tengan igual una de sus propiedades características, es necesario recurrir a la determinación de otras propiedades características como el mencionado punto de fusión, el punto de ebullición u otras.
El agua mineral es un ejemplo de solución acuosa. El disolvente es agua y presenta distintos solutos disueltos.
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Actualmente se conocen millones de sustancias, algunas se encuentran en la naturaleza, mientras que otras son artificiales, como la aspirina y el nylon, por ejemplo. Cada día se descubren y sintetizan nuevas sustancias, para reconocerlas e identificarlas se estudian sus propiedades características, esto da una idea del enorme campo de la Química. A nivel comercial no se es riguroso en el lenguaje químico, en las dos etiquetas se pueden observar ejemplos de esto.
PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS
Son aquellas propiedades que caracterizan a las sustancias y permiten identificarlas. Son ejemplos: la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, calor específico.
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PROCESOS FÍSICOS Y QUÍMICOS
PROCESO FÍSICO
En un proceso físico no se altera la identidad química de las sustancias participantes del cambio.
PROCESO QUÍMICO
En un proceso químico cambia la identidad química de las sustancias participantes.
PROCESOS FÍSICOS Y QUÍMICOS
�QUÉ TIPO DE CAMBIOS PUEDEN OCURRIR EN LA MATERIA?
Los procesos físicos y químicos pueden ir acompañados de manifestaciones macroscópicas tales como, desprendimiento de gases, variaciones de temperatura, cambios de color, o formación de precipitados.
La materia constantemente está sufriendo cambios. A pesar de no estar consciente de ello, el hombre vive realizando estos cambios y su vida depende de ellos. Al moverse, respirar, abrir puertas, romper papeles, quemar combustibles está realizando actividades que cambian física o químicamente la materia.
Lo que permite diferenciar los procesos químicos de los físicos es que se produzcan cambios en la identidad química de las sustancias participantes de la transformación . Es decir que las sustancias producidas al final del cambio, llamadas productos , sean distintas de la o las sustancias de partida, llamadas reactivos . Ejemplos cotidianos de procesos químicos son las combustiones, por ejemplo la combustión de la leña.
En algunas situaciones, esos cambios se utilizan en investigaciones. Por ejemplo, la dactiloscopia, disciplina auxiliar de la criminalística, que se encarga de identificar a las personas, por medio del estudio de las impresiones que dejan las crestas de las yemas de los dedos en las superficies. Cuando se deja una huella dactilar latente, un vistazo inicial no da demasiada información, pero allí se han dejado rastros de sudor, grasa, sales y otras sustancias que se pueden revelar mediante procesos físicos o químicos. Los procedimientos que se usan con mayor frecuencia para recoger las huellas dactilares latentes utilizan polvos que se adhieren a ellas o sustancias que las revelan.
REVELADO DE HUELLAS LATENTES MEDIANTE UN PROCESO FÍSICO Se utiliza polvo dactilar que se adhiere a la grasa y a la humedad contenida en la huella. Como polvo dactilar se puede utilizar carbón activo finamente pulverizado, trementina u óxido férrico. Esta técnica es aplicable a huellas que se encuentren en materiales no porosos como vidrio, metales pulidos, etc. PROCEDIMIENTO: Se planta la huella en una superficie lisa, es conveniente pasar el dedo por el cuero cabelludo para asegurarse de que la huella latente contenga bastante grasa. Luego se espolvorea un poco de carbón en polvo (puede ser grafo de lápiz) y suavemente con un pincel se retira el exceso de carbón. Debe tenerse en cuenta que la huella latente es muy frágil y antes de “levantar”la impresión con un papel adhesivo se la debe fotografiar. (El papel adhesivo utilizado por los técnicos es un papel especial, pero a los efectos de esta práctica se puede utilizar un trozo de cinta adhesiva). EXPLICACIÓN: El carbón se adhiere a sustancias presentes en la huella latente, pero no reacciona con ellas. Al inicio y al final del procedimiento las sustancias son las mismas. El procedimiento es un proceso físico.
REVELADO DE HUELLAS LATENTES MEDIANTE UN PROCESO QUÍMICO
OTROS PROCESOS FÍSICOS Y QUÍMICOS FUSIÓN DE L A NAFTALINA PROCEDIMIENTO : En un tubo de ensayo resistente al calor, se coloca naftalina, y un termómetro.
Se sumerge el tubo de ensayo en un vaso de Bohemia con agua, sosteniendo el sistema a un soporte y se calienta hasta fusión total. Luego se retira el mechero.
EXPLICACIÓN: El nitrato de plata reacciona con la sal (cloruro de sodio) presente en la huella, dando cloruro de plata blanco, que en presencia de la luz solar se transforma en óxido de plata de color negro. El proceso que se produjo es un proceso químico dado que las sustancias iniciales, sal y nitrato de plata se transformaron en nuevas sustancias.
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Observar la fusión total de la naftalina.
Observar lo ocurrido luego que se retira el mechero.
Materiales a utilizar
Se agrega la glicerina Observar los cambios al permanganato. ocurridos.
VOLCÁN QUÍMICO PROCEDIMIENTO : En un recipiente resistente al calor se coloca media cucharadita de permanganato de potasio sólido en forma de montículo. Se deja caer, con una pipeta unas gotas de glicerina en el centro del sólido, teniendo mucho cuidado.
Como revelador se puede usar, por ejemplo, nihidrina, nitrato de plata o cianocrilato. PROCEDIMIENTO: Se planta una huella latente en una superficie porosa, por ejemplo, un trozo de madera. Sobre la superficie se pulveriza una solución de nitrato de plata y agua (1g en 10mL de agua destilada) y se expone al sol durante 1 hora aproximadamente. El nitrato de plata reacciona con el cloruro de sodio presente en la huella, dando cloruro de plata blanco, que en presencia de luz solar se transforma en óxido de plata que es de color negro. Esta técnica es aplicable a huellas latentes que se encuentren en materiales porosos como papel, madera no pulida y algunas telas y depende del contenido de cloruro de sodio presente en ella.
Dispositivo armado para la fusión de la naftalina.
ACTIVIDADES 1. ¿Cuáles son cambios macroscópicos observados en ambas actividadesexperimentales? 2. Las transformaciones ocurridas, ¿son físicas o químicas? Explicar. 29
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LAS SUSTANCIAS Y LOS ELEMENTOS QUÍMICOS SUSTANCIAS SIMPLES Y COMPUESTAS DESCOMPOSICIÓN
Proceso químico que transforma a una sustancia compuesta en otras más sencillas.
El oro es una sustancia simple , pues no se descompone ; mientras que el agua es una sustancia compuesta porque se descompone por electrólisis, obteniéndose dihidrógeno (H2) gaseoso y dioxígeno (O 2) gaseoso. El dihidrógeno gas y el dioxígeno gas son sustancias simples porque no se descomponen.
Son métodos variados que dependen de cada sustancia compuesta y que producen cambios químicos. Los más conocidos son: • Termólisis : descomposición por calentamiento • Electrólisis: descomposición por acción de la corriente eléctrica.
Método
Gráfico
Se obtiene
Termólisis
Descomposición del permanganato de potasio
Sustancias compuestas y dioxígeno (sustancia simple)
Electrólisis del Agua
Dihidrógeno y dioxígeno gaseosos (sustancias simples)
Electrólisis
Si se calienta agua líquida esta cambiará de estado, el agua se transforma en vapor, pero sigue siendo la misma sustancia: agua. El cambio de estado no cambia la identidad de la sustancia, es un cambio físico . AGUA (LÍQUIDA)
calor
AGUA (VAPOR) Es la misma sustancia en otro estado físico.
ACTIVIDAD
Representar mediante el modelo particula-vacío: una sustancia simple y una sustancia compuesta. Se puede recurrir al capítulo 3 como ayuda.
Si el vapor de agua se calienta a unos 2000 ºC se descompone en dihidrógeno y dioxígeno, y entonces se produce un cambio químico.
Métodos de descomposición. LISIS La terminación lisis significa ruptura.
LAS SUSTANCIAS Y LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
Las sustancias que como el agua o el permanganato de potasio, se descomponen en otras sustancias, se llaman sustancias compuestas o compuestos . El dihidrógeno y el dioxígeno son sustancias simples , porque no se pueden descomponer por ningún método de descomposición conocido. Estas sustancias simples pueden reaccionar entre sí en determinadas condiciones y formar nuevamente la sustancia compuesta agua, esta reacción se llama síntesis .
SUSTANCIAS Y ELEMENTOS QUÍMICOS El O2(g) (dioxígeno) es una sustancia simple constituida por el elemento oxígeno. El O3(g) (Ozono) es una sustancia simple constituida por el elemento oxígeno. Un mismo elemento puede formar más de una sustancia simple. El diamante y el grafito son otro ejemplo de esto, están constituidos por el mismo elemento, el carbono.
Diamante y grafito dos sustancias simples formadas por el mismo elemento, el carbono.
El agua H2O, es una sustancia compuesta formada por los elementos hidrógeno y oxígeno. El elemento oxígeno, puede estar presente en sustancias simples, dioxígeno y trioxígeno (ozono), o en gran cantidad de sustancias compuestas, como el agua, la sacarosa, la glucosa, las proteínas, etc.
El agua se descompone por acción de la corriente eléctrica, obteniéndose dihidrógeno y dioxígeno gaseosos, dos sustancias que tienen sus propias propiedades características distintas de la sustancia original agua. Es un cambio en la identidad de la sustancia , ocurrió un cambio químico. AGUA
electricidad
DIHIDRÓGENO + DIOXÍGENO Dos sustancias con propiedades características diferentes
Permanganato de potasio : los símbolos en la etiqueta brindan información sobre las precauciones a tener en cuenta en el manejo de la sustancia.
Cuando se descompone el permanganato de potasio, se obtiene un gas y se observa un residuo sólido diferente al inicial, las propiedades del residuo obtenido son diferentes a las del sólido de color violeta intenso, el permanganto de potasio de partida. Se obtienen diferentes sutancias con propiedades características distintas, por lo que es un cambio o transformación química . PERMANGANATO DE POTASIO
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calor
UN ELEMENTO PUEDE SER PARTE DE UNA SUSTANCIA SIMPLE O DE UNA SUSTANCIA COMPUESTA
GAS + RESIDUO SÓLIDO
Una sustancia compuesta o compuesto, se descompone porque está formada por más de un elemento químico. Una sustancia simple, no se descompone porque está formada por un solo elemento químico.
SUSTANCIA S i n o se des co mp on e
Por descomposición
Sustancias simples constituidas por
S i s e de sc om po ne
Sustancia compuesta o compuesto constituidas por
Elementos
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LAS SUSTANCIAS Y LOS ELEMENTOS QUÍMICOS
PARA REFLEXIONAR
AZÚCAR BRULÉ
DESCOMPOSICIÓN DEL AZÚCAR
GAS DICLORO �CI 2�
Se le llama azúcar brulé al producto viscoso y amarronado que se obtiene calentandosacarosa. Para obtener caramelo se debe agregar agua y se obtiene un producto más claro y menos viscoso.
Cuando se calienta sacarosa (azúcar común), sin agregarle agua, se obtiene azúcar brulé, producto culinario de color amarronado y viscoso y se desprenden vapores.
El Cl2 es un gas de color verde amarillento, más denso que el aire. Es muy irritante para los ojos y vías respiratorias; cuando se inhala produce accesos de tos violenta y puede causar la muerte por asfixia.
Si no se controla el punto exacto del azúcar brulé y se continúa calentando, comienza a sentirse un olor particular, se sigue desprendiendo vapor que condensa en la cerámica de la cocina formando gotitas de agua y se observa un producto negro (carbón).
La sacarosa se ha carbonizado, se ha descompuesto en sustancias más sencillas con propiedades muy distintas a ella. AZÚCAR (SÓLIDA) Cuando la comida se transforma por acción del calor, generando un residuo negro (carbón), sin presencia de llama, se ha carbonizado, ¡no se ha quemado!
calor
CARBÓN (SÓLIDO) + AGUA (VAPOR)
dulce blanca
no dulce negro
no dulce incoloro
Aunque la sacarosa esté completamente seca, se obtendrá agua de todos modos. El agua no fue agregada, sino que se forma junto con el producto negro a partir de un cambio químico. El agua es una sustancia compuesta de los elementos químicos hidrógeno y oxígeno y el residuo negro, contiene carbono. La sacarosa, es por lo tanto, una sustancia compuesta por los elementos químicos: carbono, hidrógeno y oxígeno.
Estas propiedades del dicloro hicieron que fuese utilizado como arma química en la Primera Guerra Mundial, siendo el químico alemán Fritz Haber quien estuvo a cargo tanto de la fabricación de toneladas de este gas y de miles de cilindros para su almacenamiento, como de la supervisión de la instalación de dichos cilindros en las trincheras del frente de guerra. En su libro sobre la historia de los gases venenosos, Ludwing Haber, hijo de Fritz Haber escribe: “En Haber, el Alto Mando halló una mente brillante y un organizador extremadamente enérgico, decidido y probablemente también inescrupuloso.”
SÍMBOLOS QUÍMICOS
“...La apertura simultánea de casi 6.000 cilindros que liberaron 150 toneladas de Cl 2 a lo largo de 7.000 metros en unos diez minutos fue espectacular... En unos minutos, los soldados franco-argelinos de las líneas del frente y las de apoyo estaban envueltos por el gas asfixiante. Los que no se sofocaban entre espasmos huyeron, pero el gas los siguió. El frente colapsó...”
dinitrógeno del aire, lo que abrió el camino para la síntesis de fertilizantes nitrogenados que hicieron posible aumentar notablemente la producción agrícola mundial.
El ataque con Cl2 causó 15.000 víctimas en los aliados, 5.000 de ellas fatales. Muchos historiadores coinciden en afirmar que Fritz Haber fue el iniciador de la guerra química. Pero a Haber no sólo se lo recuerda por este hecho, sino que fue reconocido por ser el primer científico que sintetizó amoníaco a partir del
Texto adaptado del libro “Los científicos, la ciencia y la humanidad”, Max F. , Perutz. (Editorial Granica).
Cada elemento se representa por un símbolo, llamado símbolo químico. Los símbolos químicos se utilizan para identificar los elementos químicos en lugar de sus nombres completos. Como por ejemplo: carbono, C; oxígeno, O; nitrógeno, N; cloro, Cl; azufre, S; magnesio, Mg; aluminio, Al. Los símbolos son utilizados comúnmente en nuestra vida cotidiana, dan un mensaje que todos interpretamos.
En otra parte del mismo libro el hijo de F.Haber escribe lo siguiente:
La mayoría de los símbolos químicos derivan de las letras del nombre del elemento, en español, en inglés, alemán, francés, latín o ruso. La primera letra del símbolo se escribe con mayúscula, y la segunda (si la hay) con minúscula. Los símbolos de algunos elementos conocidos desde la antigüedad, proceden normalmente de sus nombres en latín. Por ejemplo, Cu de cuprum (cobre), Ag de argentum (plata) y Au de aurum (oro) . Este conjunto de símbolos que denomina a los elementos químicos es universal.
ACTIVIDADES ACTIVIDADES 1. Investigar el origen del nombre de algunos elementos químicos: yodo ( I), polonio (Po), radio (Ra), tantalio (Ta) y mendelevio (Md). 2. Leer detenidamente la siguiente frase: “Le corresponde a un extraordinario hombre del siglo XVII el mérito de replantear el concepto de elemento químico como aquella materia que no se puede descomponer en otra”. Robert Boyle (1627 -1691). a. ¿Qué significado tiene esta afirmación? b. Investigar sobre la vida y el trabajo científico de Robert Boyle.
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1. Elaborar una opinión personal sobre la siguiente afirmación: Las acciones de Haber parecen contradecir la creencia de Montesquieu que decía que “el conocimiento vuelve amables a los hombres” . 2. En el texto se mencionan en forma explícita e implícita ciertas características de la personalidad de Fritz Haber. ¿Cuáles de ellas son imprescindibles en cualquier persona que se dedique a la actividad científica? ¿Cuáles podrían resultar peligrosas?
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LEY DE PROUST
LEY DE PROUST
�QUÉ SIGNIFICA “COMPOSICIÓN” �EN MASA� DE UNA SUSTANCIA COMPUESTA? El agua es una sustancia compuesta por los elementos hidrógeno y oxígeno, y puede descomponerse, en cuyo caso se obtiene gas dihidrógeno y gas dioxígeno, sustancias simples. Si se determina la masa del hidrógeno y la masa del oxígeno obtenidos, se puede hallar por ejemplo, que si se descomponen 9 gramos de agua, se obtienen 1 g de dihidrógeno, y 8 g de dioxígeno. AGUA (I) -> 9g
DIHIDRÓGENO (g) + DIOXÍGENO (g) 1g
8g
La relación matemática entre la masas de hidrógeno y de oxígeno obtenidos, es por lo tanto de 1 a 8. Por cada 1 g de hidrógeno que se obtiene en la descomposición del agua, se obtienen 8 gramos de oxígeno (siempre que el experimento se realice en precisas condiciones). De modo que es posible expresar el resultado anterior matemáticamente:
El debate se presentó de este modo: ¿Tienen las sustancias compuestas una composición constante y universal? , o por el contrario, ¿La composición puede ser diferente según de dónde se extraiga dicha sustancia, por cuál método se la obtenga, y otras
condiciones experimentales?
Proust afirmó que los compuestos tienen una composición constante y universal, y que la composición de cada compuesto nunca varía, cualquiera que sea el método de obtención, o el lugar de la Tierra de donde se lo extraiga, etc. Berthollet no estaba de acuerdo con Proust. Sostenía haber realizado experimentos que demostraban que la composición de un compuesto era variable dentro de ciertos límites.
A fines del siglo XVIII, los químicos consideraban que el aire era un com puesto, como lo era el agua, el carbonato de calcio, etc.
El agua no es la única sustancia compuesta por los elementos hidrógeno y oxígeno. El peróxido de hidrógeno es una sustancia compuesta también por estos elementos.
En Inglaterra, John Dalton, dedicado al estudio de la meteorología, no compartía esa opinión, sino que consideraba que el aire era una mezcla. Su composición varía con la altura, según ya se había constatado. Dalton sostuvo que solamente en el caso que exista composición constante, se puede hablar de “compuesto”.
En otras palabras: existen compuestos diferentes formados por los mismos elementos, pero en cada uno de estos compuestos la composición es diferente, y característica de cada compuesto. Si se determina experimentalmente la composición del peróxido de hidrógeno, hallando la relación entre la masa de hidrógeno y la masa de oxígeno, se encuentra que:
masa de hidrógeno / masa de oxígeno = 1/16
No es un hecho casual que las diferentes masas del elemento oxígeno combinadas con 1 gramo del elemento hidrógeno, en el agua y en el peróxido de hidrógeno, mantengan dicha relación matemática (16 es el doble de 8). Este hecho tiene su explicación en la estructura atómica de la materia que se estudiará en otro capítulo.
tir las afirmaciones de Berthollet fue el siguiente: Seguramente los experimentos se hicieron con mezclas que contenían impurezas. No eran sustancias químicamente puras, y dichas impurezas por lo tanto alteraban los resultados experimentales, haciendo pensar que la composición de un compuesto era variable cuando en realidad es fija y constante...
El argumento de Proust para reba-
masa de hidrógeno / masa de oxígeno = 1/8
Pero en el peróxido de hidrógeno la relación entre la masa del elemento hidrógeno y la masa del elemento oxígeno es muy diferente a la relación de 1 a 8 que presenta el agua.
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DEBATE PROUST � BERTHOLLET Los químicos franceses J. L. Proust (1754-1826) y Berhollet (17481822) mantuvieron una discusión científica que se prolongó durante casi diez años, mantenida a través de distintos artículos escritos entre 1800 y 1810 aproximadamente.
Concebía que los átomos de los diferentes elementos, cada uno con una masa característica del elemento, se “combinan” en una relación numérica fija al formar compuestos: un átomo de nitrógeno se combina con un átomo de oxígeno formando un determinado compuesto, etc. Por varias razones los químicos de principios del siglo XIX aceptaron la teoría de Dalton, y como consecuencia, validaron como cierto que los compuestos tenían composición constante. Una vez aceptada la teoría de Dalton, la ley de Proust no era ningún descubrimiento del método experimental, sino la condición experimental que se debía cumplir para que un sistema fuera clasificado como compuesto... Si la composición era fija e invariable se le llamaría compuesto , y se le llamaría mezcla, solución, aleación, si la composición era variable. Una vez más, era el lenguaje el que fijaba las líneas divisorias entre conceptos, y no la realidad en sí misma externa al lenguaje. La experimentación que mostrase una composición “variable”de los compuestos, era repetida una y mil veces (fue por ejemplo el trabajo del químico sueco Berzelius), hasta que se demostrara experimentalmente que era constante, tal como “debía ser”según la teoría atómica de Dalton.
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MOLÉCULAS, ÁTOMOS E IONES REACCIONES QUÍMICAS 41
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MOLÉCULAS Y ÁT ÁTOMOS OMOS MOLÉCULAS Y ÁTOMOS
MODELOS MOLECULARES
Las sustancias están constituidas por partículas; estas partículas pueden ser átomos o agrupaciones de átomos denominadas moléculas . También hay sustancias formadas por otro tipo de partículas llamadas iones como por ejemplo la sal de mesa (cloruro de sodio).
Los modelos moleculares se utilizan para representar moléculas. Existen dos tipos de modelos:
Las moléculas son partículas formadas por 2 o más átomos unidos por enlaces químicos ; estas uniones serán estudiadas más adelante. La vitamina C, sustancia molecular presente en gran cantidad de vegetales y frutas especialmente en cítricos, no puede ser sintetizada por el cuerpo humano. Favorecee el desarrollo de Favorec dientes y encías, huesos y cartílagos, así como la absorción del hierro y la producción de colágeno. El escorbuto en humanos es una avitaminosis causada por deficiencia de esta vitamina. FÓRMULA MOLECULAR
La fórmula molecular de la vitamina C es C6H8O6 lo que indica que la molécula está formada por 6 átomos de Carbono, 8 átomos de Hidrógeno y 6 átomos de oxígeno.
MODELOS MOLECULARES
Una gran cantidad de sustancias conocidas están constituidas por moléculas. Ejemplos de ellas son agua, alcohol, azúcar de mesa, los gases que componen el aire, proteínas, vitaminas, etc. Las sustancias se representan con fórmulas . En el caso de las sustancias moleculares, la fórmula se llama fórmula molecular dado que indica como está formada la molécula. Cuando se representa la sustancia agua mediante la fórmula H 2O, lo que se está representando es la molécula de agua. El subíndice que está a la derecha y debajo de cada símbolo es la atomicidad, es decir el número de átomos de cada elemento en la molécula. Cuando la atomicidad es 1 no se escribe el subíndice.
• modelos de esferas y varillas • modelos de encastre NÚMERO TOTAL DE ÁTOMOS QUE FORMAN LA MOLÉCULA
NÚMERO DE ÁTOMOS DE CADA ELEMENTO QUE FORMAN LA MOLÉCULA
N2
2 átomos
2 átomos de nitrógeno
NH3
4 átomos
1 átomo de nitrógeno 3 átomos de hidrógeno
CH4
5 átomos
1 átomo de carbono 4 átomos de hidrógeno
CO2
3 átomos
1 átomo de carbono 2 átomos de oxígeno
FÓRMULA MOLECULAR
Una molécula de agua se puede representar del siguiente modo
H2O
1 átomo del elemento oxígeno.
2 átomos del elemento hidrógeno. En una gota de agua hay aproximadamente 13.377.777.760.000.000.000 13.377.777.76 0.000.000.000.000 .000 moléculas de H 2O
MODELO MOLECULAR
Caja de modelos.
Modelo de esferas y varillas de la molécula de vitamina C.
Modelo de encastre, generado por computadora de la molécula de etanol.
UNA SUSTANCIA MOLECULAR MUY ESPECIAL: LA ASPIRINA En épocas antiguas el hombre recurría a la naturaleza para encontrar alivio a sus dolores y tratar enfermedades. En escritos que datan de varios siglos antes de Cristo aparece mencionado el uso de la corteza de sauce blanco para el tratamiento de la fiebre (antipirético) y el alivio del dolor (analgésico). El interés por conocer cual era la sustancia que poseía tales propiedades terapéuticas (principio activo), llevó a científicos alemanes a principios del siglo XIX, a aislar, de la corteza del sauce blanco, una sustancia amarillenta de sabor muy amargo que denominaron salicina a partir de la cual, años más tarde se obtuvo el ácido salicílico. El ácido salicílico, muy efectivo para el tratamiento del dolor y la fiebre, fue utilizado mucho tiempo, pero presentaba algunos inconvenientes como su excesivo sabor amargo e irritación severa en el estómago al ser ingerido. La necesidad de encontrar un derivado del ácido salicílico con efectos secundarios menos adversos, llevó años más tarde a lograr sintetizar a partir del mismo, el ácido acetilsalicílico. El ácido acetilsalicílico es una sustancia molecular cuya fórmula es C 9H8O4. 42
Modelo de la molécula de ácido acetilsalicílico (Aspirina).
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3
MACROMOLÉCULAS
TRANSFORMACIÓN QUÍMICA DE LAS SUSTANCIAS
POLÍMEROS
Pasta de celulosa : principal materia prima para la fabricación del papel.
REACCIONES QUÍMICAS
Las moléculas pueden ser pequeñas como las de los ejemplos anteriores o muy grandes como es el caso de moléculas formadas por cientos o incluso miles de átomos. Estas moléculas muy grandes se denominan macromoléculas macromoléculas.. En polímeros.. general las sustancias formadas por macromoléculas se denominan polímeros Hay polímeros naturales como la seda, el caucho, la celulosa y otros artificiales como el polietileno, PVC, etc.
El hombre nace, se reproduce y vive gracias a innumerables transformaciones ones químicas. Usando todos los sentidos conocidos, se puede constatar que continuamente en el entorno hay desprendimiento de gases, absorción y emisión de energía, modificaciones en las propiedades de la materia como cambio de color, sabor, olor, acidez, etc. Estos son solamente algunos ejemplos de como se puede evidenciar la ocurrencia de cambios químicos.
Algodón: se utiliza para la fabricación de tejidos y prendas de vestir.
Segmento de la molécula de polietileno.
Segmento de la molécula de policloruro de vinilo (PVC).
Un ejemplo de la utilización de estos materiales es la producción de tuberías de PVC o de polietileno.
Proteínas : no toda la bibliografía clasifica a las proteínas como polímeros.
Tubería de polietileno.
Tubería de PVC.
UN POCO MAS DE INFORMACIÓN… A lo largo de los siglos la humanidad ha utilizado polímeros naturales procedentes de plantas y animales. Ejemplos de ellos los constituyen las fibras procedentes de plantas como el lino y el algodón y otras que se obtienen de los animales como la lana y la seda. Otros polímeros naturales como las proteínas, los almidones y la celulosa desempeñan un papel fundamental en los procesos bioquímicos y fisiológicos de plantas y animales. Desde principios del siglo XX, la investigación científica pudo determinar la estructura molecular de este grupo de sustancias y tratando de imitar a la naturaleza , los químicos desarrollaron procedimientos para sintetizar numerosos polímeros que hoy están presentes en el mundo que nos rodea. La llegada de los polímeros sintéticos provocó una verdadera revolución en la forma de vida de los seres humanos ya que éstos ofrecen una gran versatilidad al ser posible adecuar su estructura molecular a una gran variedad de usos. Las síntesis de polímeros suelen ser baratas y las propiedades que se consiguen son comparables o superiores a las de los polímeros naturales. Ejemplos de polímeros artificiales son: polietileno, PVC, Poliéster Poliéster,, acrílicos, poliestireno, siliconas, entre muchos otros. 44
La naturaleza y las construcciones humanas funcionan en base a procesos químicos. Continuamente Continuamente se producen cambios en la estructura de la materia; en la atmósfera, en las plantas, en el suelo, en las fábricas, en los vehículos y el cuerpo humano. Todos estos procesos son reacciones químicas, transformaciones de una o más sustancias en una o varias diferentes.
Al cocinar los alimentos se producen diversas reacciones químicas.
ALGUNOS TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS
1
REACCIONES DE SÍNTESIS
Son reacciones donde dos o más sustancias se combinan para formar una única sustancia.
La hemoglobina es una proteína que tiene la función de transportar el dioxígeno en el cuerpo. ¿Cómo lo hace? El dioxígeno reacciona con la hemoglobina formando la oxihemoglobina oxihemoglobina..
HEMOGLOBINA HEMOGLOBI NA + DIOXÍGENO -> OXIHEMOGL OXIHEMOGLOBINA OBINA
Eritrocitos: dentro de su membrana compuesta de lípidos y proteínas contiene un 60% de agua, catión potasio como ion principal y más de un 30% de hemoglobina.
En determinadas condiciones, la oxihemoglobina se descompone “de jando” el dioxígeno donde es necesario, esto es un ejemplo de proceso químico que se puede producir en sentido inverso.
45
3
REACCIONES QUÍMICAS
2
REACCIONES DE DESCOMPOSICIÓN
Son reacciones donde una sustancia compuesta se descompone para dar más de una sustancia como producto.
En algunos automóviles, existe un sistema de seguridad para que en caso de accidente se infle una bolsa (airbags) que evita la colisión con el parabrisas. Cuando ocurre un impacto, una chispa eleva la temperatura de unos 100g de NaN3 (azida de sodio), éste compuesto se descompone rápidamente formando sodio y dinitrógeno gas que es el que infla la bolsa: Los airbags son las bolsas que se inflan en el momento de un choque.
AZIDA DE SODIO -> SODIO + DINITRÓGENO
3
REACCIONES DE COMBUSTIÓN
La combustión es una reacción química en la que se desprende energía en forma de luz y calor. Para que se produzca se necesita un combustible, un comburente y alcanzar la denominada temperatura de ignición (mínima temperatura necesaria para que se inicie la combustión).
REACCIONES QUÍMICAS �QUÉ SUCEDE CON LOS ÁTOMOS ÁTOMOS Y LAS MOLÉCULAS DURANTE LAS REACCIONES QUÍMICAS? El gas natural es un combustible utilizado en cocinas, calefones y sistemas de calefacción en general. El principal componente del gas natural es el metano (CH4). La combustión del metano se representa de la siguiente forma:
CH4 (g) + O2(g) -> CO2(g) + H2O(g) Reactivos
Productos
El metano y el dioxígeno reaccionan, reaccionan, es decir sus moléculas “se rompen” quedando los átomos “en libertad”. libertad”. Estos átomos se reagrupan formando nuevas moléculas. El metano y el dioxígeno reciben el nombre de reactivos y el dióxido de carbono y el agua se denominan productos. Se suelen representar entre paréntesis los estados físicos de las sustancias involucradas en la reaccion, (s) sólido, (l) líquido, (g) gaseoso y (v) vapor. Si la sustancia está disuelta en agua aparece (ac) que significa acuoso.
El metano, metano, conocido como gas de los pantanos se desprende cuando las sustancias orgánicas se degradan por la acción de bacterias.
Se puede representar la reacción química usando modelos moleculares:
El comburente es una sustancia gaseosa que hace posible la combustión; el dioxígeno es el principal comburente ya que participa en la mayoría de las combustiones, pero no es el único. Combustión en la hornalla de una cocina.
El combustible es la sustancia que arde, por ejemplo carbón, alcohol, metano, etc. En el caso del supergás , el combustible es una mezcla de propano y butano (30-50% del primero y 70-50% del segundo, porcentaje en volumen). La capacidad de estos gases de licuarse a presiones moderadas y su elevado poder calorífico son las principales ventajas de este combustible. Ambos gases se obtienen de la refinación del petróleo y del procesamiento del gas natural.
Supergás: mezcla de propano y butano licuados.
BUTANO + DIOXÍGENO -> DIÓXIDO DE CARBONO + AGUA
Para que puedan formarse los productos, ¿alcanza una molécula de O 2 por cada molécula de CH4?
PROPANO + DIOXÍGENO GENO -> DIÓXIDO DE CARBONO + AGUA AGUA
Si se cuentan los átomos de cada elemento en reactivos y productos se observa que el número de átomos de Oxígeno en los reactivos no es suficiente para que se puedan formar los productos CO2 y H2O.
Gasoducto: tubería de acero Gasoducto: que sirve para transportar gas natural a gran escala.
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3
REACCIONES QUÍMICAS La representación de la reacción química anterior teniendo en cuenta la pregunta formulada es la siguiente:
PARA PROFUNDIZAR RAPIDEZ DE LAS REACCIONES Las reacciones químicas se producen con determinada rapidez dependiendo de diferentes factores . Uno de ellos es la temperatura. En general, la rapidez de las reacciones químicas se ve descendida al disminuir la temperatura. Por esta razón se colocan los alimentos en la heladera, así disminuye la rapidez de descomposición de los mismos.
Oxidación del hierro. hierro.
Existen muchos ejemplos de reacciones que transcurren en un intervalo de tiempo relativamente corto, como es el caso de la explosión de la nitroglicerina (NG) que tiene lugar en tan sólo microsegundos. Otras reacciones, como la oxidación de una manzana recién cortada ocurre más lentamente (algunos minutos) y algunas, como es el caso de la oxidación de algunos metales, pueden tardar años.
CH4 (g) + 2 O2(g) -> CO2(g) + 2 H2O(g)
Para que los alimentos se conserven es fundamental no romper la cadena de frío.
DETONACIÓN DE LA NG
En tan sólo microsegundos la mayor parte de este compuesto se transforma en sustancias gaseosas que se expanden rápidament rápidamentee creando una onda expansiva.
Si se cuenta ahora la cantidad de átomos de cada elemento en los reactivos y en los productos se observa que es el mismo. Esta representación, representación, ahora igualada se denomina ecuación química .
En 1794, pocos años después de que publicara su obra, “Tratado elemental de Química” y estando en la cima de su carrera, Lavoisier muere en la guillotina durante la Revolución Francesa. El hecho de integrar la “Ferme Generale”, consorcio privado encargado de recaudar impuestos para la corte del Rey Luis XVI, probablemente influye en el juicio que lo lleva a ser ejecutado. El prestigioso matemático Lagrange, contemporáneo y amigo de Lavoisier lamentó su muerte manifestando : “Se tardó sólo un momento en cortarle la cabeza, y quizá no basten cien años para que surja otra igual”.
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Fue el químico francés Antoine Lavoisier el que descubrió en el siglo XVIII la ley de la conservación de la masa, siendo el nombre más apropiado para esta ley el de ley de la conservación de la masa y de los elementos químicos. En un libro de texto publicado en 1789, Lavoisier planteaba la ley de la siguiente manera: “Podemos asentar como un axioma incontrovertible que, en todas las operaciones del arte y la naturaleza, nada se crea; existe una cantidad igual de materia tanto antes como después de cada operación.”
En otras palabras se puede decir: Los átomos no se crean ni se destruyen durante una reacción química. Existe la misma cantidad y la misma clase de átomos en los reactivos que en los productos. Lo que ocurre es que se rompen los enlaces que los mantienen unidos y se forman nuevos enlaces, dando origen a nuevas moléculas.
Nitroglicerina (NG).
Oxidación de la manzana.
REACCIONES EXOTÉRMICAS Y ENDOTÉRMICAS Otra clasificación de las reacciones químicas que se puede realizar es utilizando el siguiente criterio:
La cocción de alimentos absorbe calor del ambiente. Ejemplo de reacción endotérmica.
REACCIONES QUÍMICAS Según el intercambio de energía con el ambiente…
ENDOTÉRMICAS
EXOTÉRMICAS
Reacción que absorbe energía del medio.
Reacción que libera energía al medio.
La combustión de cualquier material cede calor al ambiente. Ejemplo de reacción exotérmica.
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3
UNA REACCIÓN QUÍMICA FUNDAMENTAL
ACTIVIDADES
LA COMBUSTIÓN Y LA MÁQUINA A VAPOR ce como termodinámica, creada en 1824 por S.Carnot después de observar el funcionamiento de las máquinastérmicas. La máquina de vapor, aunque no todos compartan la idea, constituyó el motor que dio inicio a la Revolución Industrial (fines del siglo XVIII), donde tuvo un papel fundamental pues se utilizó para mover diferentes máquinas como locomotoras, bombas, motores marinos, etc.
Según algunos autores, la tecnología puede considerarse como el conjunto de procedimientos que permiten la aplicación a la producción industrial, de los conocimientos propios de las ciencias naturales. No obstante, pueden hacerse algunas críticas a esta definición; una de estas críticas se refiere a la idea que se transmite en la misma, de que primero es la ciencia y luego, como aplicación del conocimiento científico surge la tecnología. En esta definición de tecnología se plantea la idea de que la investigación científica tiene prioridad sobre la investigación y desarrollo tecnológicos. Muchos son los ejemplos que pueden encontrarse a lo largo de la historia que muestran que tal secuencia (primero el conocimiento científico y luego la tecnología) no ha sido siempre así. Uno de ellos lo constituye la máquina de vapor, que fue anterior a la creación de la rama de la ciencia que se cono-
La Revolución Industrial marca el inicio de un período donde comienzan a producirse profundos cambios sociales entre los que se destacan, la adecuación de la vida humana al desarrollo técnico y la utilización de los seres humanos como un recurso más (trabajo humano como mercancía), dando origen a una explosión demográfica que llevó a un empeoramiento de las condiciones de vida humana. Por otro lado el equilibrio entre naturaleza y producción humana se rompe en cierto modo pues comienza a producirse una desenfrenada explotación de los recursos naturales, entre ellos el carbón que se utilizó para generar energía en la máquina de vapor. No resulta fácil determinar con exactitud la fecha y el autor de este invento. La primera máquina de vapor fue inventada en 1663 por Eduard Somerst, pero por falta de recursos económicos no pudo producir y vender su máquina. Por esta razón su invención se atribuye a Thomas Savery quien registró una patente de esta máquina en 1698, pero debido a problemas en el diseño que causaba riesgo de explosión, no fue muy utilizada.
Otro nombre que aparece vinculado a este invento es Thomas Newcomen quien en 1712 inventó unanuevamáquinaquedenominó ”máquina de vapor atmosférico” y que resultó de utilidad. Posteriormente James Watt (1736-1819),
mejora la máquina de Newcomen solucionando los problemas de pérdida de calor que se producían en la misma y disminuyendo así el elevado consumo de combustible que constituía su principal inconveniente. La máquina de vapor es un artefacto en el cual se genera vapor de agua en una caldera cerrada, por calentamiento directo, para lo cual se quema combustible, (que en los inicios fue leña o carbón). El vapor generado llega a un cilindro donde empuja y desplaza un pistón. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal del pistón se transforma en un movimiento de rotación que acciona por ejemplo, las ruedas de una locomotora. Una vez llegado al final del recorrido del cilindro, el pistón regresa a su posición inicial expulsando el vapor de agua utilizado. El ciclo que realiza la máquina, es controlado mediante una secuencia de válvulas de entrada y salida de vapor.
Esquema del funcionamiento de una máquina a vapor.
las sus tancia 1. ¿Qué tienen en común ? no O dio xíge 2 ¿En qué se diferencian?
s ozono O3 y
ren tes represen tan á tomos de dife 2. Si y elemen tos: e una molécula de a. Represen tar un e jemplo d s ta. una sus tancia compue lo de una molécula de b. Represen tar un e jemp una sus tancia simple. re ferencias: 3. Tomando las siguien tes o de carbono tom á a un ta esen repr o de o xígeno tom á un a ta esen repr en tar una pres e re pued se a. ¿Cómo molécula de O2? esen tar una b. ¿Cómo se puede repr molécula de CO2? rminos: reacción 4. a. De finir los siguien tes té . química, reac ti vo, produc to ncear (igualar ) una b. ¿Qué se busca al bala le y se respe ta al hacerlo? é ¿Qu ica? quím ción ecua e xpresiones simbólicas de 5. Balancear las siguien tes c tamen te e xpresadas corre den que que manera icas: quím s las ecuacione
Cl2 + N2 + Cu + Fe + CaO+ C3 H8
O2 -> O2 -> O2 -> O2 -> HCl -> + O2
Cl2O3 NO2 Cu2O Fe2O3 CaCl2 + H2O CO2 + H2O ->
a químicas que represen tan 6. Escribir las ecuaciones : icas quím es las siguien tes reaccion mbina con el dio xígeno a. El azu fre sólido (S ) se co azu fre gaseoso (SO2 ). de del aire para dar dió xido de mercurio (HgO ) que es xido ó mon tar calen Al b. ompone en mercurio un sólido ro jizo, és te se desc no. xíge dio (Hg ) y foro, el clora to de po tasio c. En la cabeza de un fós dar cloruro de po tasio para one omp desc (K ClO3 ) se no. (K Cl ) y dio xíge cuan ti ta ti vo a ni vel 7. Describir el sign ificado ecuaciones químicas: molecular de las siguien tes a. 2 Cl2 (g )
+ O2(g )
->
2 Cl2O (g )
b. 2 CO (g )
+ O2(g )
->
2 CO2 (g )
E jemplo: (g ) ; signi fica que al 2 NO(g ) + O2(g ) -> 2 NO2 NO con 1 molécula de O2 de s cula molé reaccionar dos . NO de culas 2 se forman 2 molé
N2 + O2 -> NO Zn + O2 -> ZnO
ACTIVIDADES 1. a. ¿Cuál es la definición de tecnología que maneja el texto? b. ¿Qué críticas pueden hacerse a esta definición? 2. Comentar la siguiente parte del texto: “…el equilibrio entre naturaleza y producción humana se rompe en cierto modo pues comienza a producirse una desenfrenada explotación de los recursos naturales”. 3. a. Plantear la ecuación química de la combustión del carbón, identificando reactivos y productos. b. ¿Cuáles son el combustible y el comburente en dicha combustión? 4. Explicar brevemente el funcionamiento de una máquina a vapor. 50
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3
ACTIVIDADES
ACTIVIDADES
AC TI VIDA D LÚD ICA
A PENSAR 1
cciones químicas teniendo en cuenta Completar la descripción de ciertas rea letras y las f órmulas en el círculo. • Las palabras aparecen en la sopa de deben estar igualadas. • Recordar: las ecuaciones químicas
Los dibu jos representan s istemas gaseosos a niv e l par tí cula-v ací o. La tar ea es unir con flech as todas las posibles des cr ipciones de dichos siste mas:
sustancias simples.
sustancia simple y una compuesta.
• Es una sustancia simp le.
E jemplo:
a. b.
2 CO
O2 -> 2 CO2
+
W
R
O
D
A
D
G
S
K
B
C
D
Y
R
E
L
J
K
F
V
O
W
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H
A
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D
• Es una mezcla de una
Fórmulas
Sopa de letras
• Es una sustancia comp uesta.
• Es una mezcla de dos
J
I
G
SO3 H2O O2 Fe2O3
Fe O2
n de rio y dioxígeno mediante una reacció El monóxido de mercurio produce mercu ……………….…. por acción calor.
HgO (s )
->
Hg (l) + ....... (g )
de la atmós fera unas f ábricas reacciona con el agua El trióxido de azu fre pro vocado por alg a ). A este tipo de via ácid llu de la tes causan de los ácidos obteniéndose ácido sul f úrico. (Uno …….………… ……… ina denom se le ica ón quím reacci
2 Cl2 (g )
+
O2(g )
->
2 Cl2O (g )
2 NO (g )
+
O2(g )
->
2 NO2 (g )
……….(g ) + …… (v )
->
H2SO4 (ac )
En término químicos se la intemperie se f orma herrumbre. Cuando un ob jeto de hierro queda a …….…… y dioxígeno. de …… partir a , dihierro o de ha sintetizado trióxid
…… (s ) + …… (g ) ->
52
que:
……… (s)
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ESTRUCTURA ATÓMICA Y TABLA PERIÓDICA
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4
ESTRUCTURA ATÓMICA
PARA PROFUNDIZAR
PARTÍCULAS SUBATÓMICAS
OTRAS PARTÍCULAS
EL ÁTOMO
El átomo está constituido por partículas más pequeñas llamadas partículas subatómicas.
La pequeñez del átomo resulta muy difícil de comprender...
Las partículas subatómicas fundamentales que determinan las propiedades del átomo son tres: protones, electrones y neutrones .
Además de protones, electrones y neutrones se han descubierto muchas otras partículas, algunas de las cuales se forman en el momento de las colisiones de la materia o en los procesos de desintegración radiactiva.
El tamaño de una átomo es del orden de 1x10 -10 m, es decir: 0,0000000001m 0,00000001cm 0,0000001mm
�QUÉ SUCEDE CUANDO CHOCA LA MATERIA CON ANTIMATERIA?
Tiene lugar un proceso que recibe el nombre de aniquilación . Cuando un protón choca con su antiprotón o un electrón con su antipartícula (el positrón ), partícula y antipartícula desaparecen y en su lugar se origina energía . La aniquilación es el único proceso totalmente eficiente en convertir masa en energía de acuerdo a la Ecuación de Einstein: E=m.c2. Cuando choca la materia y la antimateria el 100% de la masa se convierte en energía.
Algunas características de estas partículas:
Carga (coulombs)
Carga (uce)
Protón
1,673 x 10-24 + 1,6 x 10-19
+1
p+
Ne ut ró n
1, 67 5 x 10-24
0
0
n
Electrón
9,1 x 10-28
- 1,6 x 10-19
-1
e-
Partícula
Masa (g)
Símbolo
Protones y neutrones forman la parte central del átomo llamada Núcleo, razón por la cual estas partículas reciben el nombre de nucleones . Las fuerzas nucleares fuertes, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, son las que mantienen unidas a las distintas partículas del núcleo.
NEUTRINOS
Hay 3 tipos diferentes de neutrinos, no componen la materia pero son esenciales en ciertas reacciones nucleares.
Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi. Batavia, Illinois.
Principales características de estas fuerzas: • Son de mayor magnitud que las fuerzas
eléctricas y gravitatorias. Protón
• Son de corto alcance, es decir que cada
Neutrón
• Son únicamente de atracción.
Laboratorio europeo de física de partículas (CERN)
nucleón interacciona únicamente con los nucleones más cercanos.
Los electrones se encuentran en movimiento alrededor del núcleo en la zona denominada periferia atómica.
56
En el siguiente esquema se presentan las partículas conocidas hasta la fecha.
Sólo 2 de los 6 quarks (up y down) existen hoy en forma natural en el universo y son los que forman a los protones y neutrones.
NÚCLEO ATÓMICO
PERIFERIA ATÓMICA
Representación de las partículas subatómicas. ¡No se trata de una foto!
El Modelo Estándar (actual), basándose en todos los datos que han salido de los aceleradores , plantea la existencia de sólo 12 partículas (6 quarks y 6 leptones), que serían la base de toda la materia que se conoce en el Universo.
QUARKS
PARA EXPLORAR “LO PEQUEÑO” LOS CIENTÍFICOS HAN DISEÑADO MÁQUINAS ENORMES: LOS ACELERADORES DE PARTÍCULAS. En los aceleradores, partículas cargadas son aceleradas mediante potentes electroimanes hasta velocidades próximas a las de la luz. Estas partículas de muy alta energía colisionan entre ellas o contra un blanco fijo. El resultado de estas colisiones permite extraer a los científicos información de los más pequeños componentes de la materia.
Entre el núcleo y los elec trones existe espacio vacío.
Las principales partículas utilizadas en los aceleradores son protones y electrones; también se emplean antiprotones, positrones, partículas alfa, etc.
El núcleo es extremadamente pequeño en comparación con la periferia, aproximadamente 100.000 veces más pequeño. No obstante en él se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, dado que la masa del electrón es 1837 veces más pequeña que la del protón y neutrón.
En una colisión se sabe”que es lo que entra y que es lo que sale”. ¿Qué es lo que sucede en el pequeño espacio de la colisión?... Esto es para los científicos una incógnita, los detalles internos de las colisiones no son observables. No obstante, los científicos disponen de un modelo de las fuerzas que actúan y de la estructura de la materia que choca y tratan de comprobar si el modelo predice lo observado. Texto adaptado del libro “La Partícula Divina”.
57
4
ESTRUCTURA ATÓMICA Número másico
NÚMERO ATÓMICO Y NÚMERO MÁSICO El número de protones que posee un átomo es una característica de cada elemento químico y se le llama número atómico . Se representa con la letra Z.
Número atómico
El número de protones más el número de neutrones que forman el núcleo del átomo se denomina número de masa o número másico y se representa con la letra A. Por convención el número atómico (Z) se escribe abajo y a la izquierda del símbolo químico y el número másico (A) arriba a la izquierda del mismo. Ejemplo:
Elemento
Representación del núcleo atómico
Número de Protones (p+)
ESTRUCTURA ATÓMICA �CÓMO SE AVERIGUA LA CANTIDAD DE ELECTRONES Y NEUTRONES EN UN ÁTOMO? En todo átomo, el número de protones es igual al número de electrones y dado que la carga del protón y la del electrón son numéricamente iguales pero de signo contrario, el átomo es eléctricamente neutro . Si el número másico (A), representa la cantidad de partículas que forman el núcleo, al restarle a este número el número atómico (Z), se obtiene la cantidad de neutrones.
A - Z = número de neutrones Ejemplos:
Número de neutrones (n)
Número atómico (Z)
Número másico (A)
Número de protones (p+)
Número de electrones (e-)
Número de neutrones (n)
3
3
4
Cl
17
17
18
Ne
10
10
10
Átomo 7
Hidrógeno
1
0
1
1
1 1
Li
H
3
35 17
Hidrógeno
Hidrógeno
1
1
1
2
1
1
2
3
2 1
H
3 1
H
ISÓTOPOS ABUNDANCIA ISOTÓPICA
Al igual que el hidrógeno y el carbono, casi todos los elementos químicos poseen isótopos naturales, pero la abundancia de cada uno es diferente. Por ejemplo, en el caso del hidrógeno, el isótopo hidrógeno-1 es el más abundante (99,985%); en el caso del carbono, el carbono-12 es el más abundante (98,9%). Tambien existen isótopos artificiales de muchos elementos, la mayoría de ellos radiactivos.
Como se observa en el ejemplo anterior, los átomos de un mismo elemento pueden tener diferente cantidad de neutrones, no así de protones. Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, Z =1 para este elemento. Sin embargo existen átomos de hidrógeno que no tienen neutrones, otros que tienen uno y otros que tienen dos. A las variedades de un mismo elemento que tienen diferente cantidad de neutrones se les denomina isótopos . Para diferenciar los isótopos de un mismo elemento se escribe el nombre de éste seguido del número másico (A) como se muestra a continuación: hidrógeno-1 hidrógeno-2 hidrógeno-3
Es importante destacar que no es correcto decir que Z es igual al número de electrones pues un átomo de cierto elemento y un ion del mismo elemento tienen igual Z pero diferente cantidad de electrones . Por ejemplo, el elemento potasio se presenta en la naturaleza formando sustancias compuestas (principalmente sales) en las que se encuentra como ion positivo (K +).
¿En qué se diferencian el átomo de potasio y el ion potasio?
Átomo de potasio 19
K
Ion potasio 19
K+
cantidad p+ = 19
cantidad p+ = 19
cantidad e = 19
cantidad e - = 18
-
carbono-12 Isótopos del hidrógeno
carbono-13 carbono-14
Isótopos del carbono
Los tres átomos de carbono, tienen 6 protones en su núcleo (Z=6), pero hay átomos de este elemento que poseen 6 neutrones, otros que poseen 7 y otros 8. 58
20 10
IMPORTANCIA DE LOS IONES EN EL CU ERPO HUMANO. El K + es el principal ion positivo presente en el líquido intracelular del cuerpo humano. Está involucrado en la contracción muscular y la regulación de la actividad neuromuscular. Este ion es almacenado a nivel muscular por lo que en los períodos de crecimiento y desarrollo, cuando los músculos se están formando, es esencial una dieta rica en potasio. Por otra parte, las dietas ricas en K + pueden reducir el riesgo de hipertensión.
Como se observa en el ejemplo propuesto, el átomo de potasio y el ion potasio tienen el mismo número de protones pero diferente cantidad de electrones. El átomo de potasio se convierte en un ion positivo cuando pierde un electrón.
Fuentes naturales de ion K +
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4
MASA ATÓMICA
MASA ATÓMICA RELATIVA La masa de un átomo se expresa en relación a la masa de un átomo que se elige como patrón, por ello se denomina masa atómica relativa.
LEY PERIÓDICA
MASA ATÓMICA DE UN ELEMENTO
TABLA PERIÓDICA
Los isótopos son átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones, por lo que su masa es diferente. En la Tabla Periódica ocupan el mismo casillero, por eso se les denomina isótopos, “iso” significa igual y “topo” lugar.
En la Tabla Periódica aparecen ordenados por número creciente de número atómico todos los elementos químicos conocidos, la mayoría son naturales y otros son artificiales.
Al buscar la masa atómica de un elemento en la Tabla Periódica, por ejemplo el cloro, no se encuentra ni la masa atómica del cloro -35 ni la del cloro -37, se encuentra un valor que corresponde al promedio de la masa de dichos átomos teniendo en cuenta su abundancia relativa.
ABUNDANCIA RELATIVA
35
Es el porcentaje en que cada isótopo se encuentra en la naturaleza.
17 Abundancia relativa
37
Cl
17
Cl
m = 34,97 u
m = 36,97 u
75,77%
24,23% En ella se encuentra información referida a las propiedades del elemento y de las sustancias simples formadas por ellos. Por ejemplo:
UNIDAD DE MASA ATÓMICA Se denomina uma y se simboliza con una “u” a la unidad de masa atómica.
37 17
1 u equivale a 1,66 x10 -24 g
Cl
m = 35,45 u Número atómico (Z) Cálculo de la masa atómica del elemento cloro:
MA Cl = (75,77% x 34,97u) + (24,23% x 36,97u) =35,45u 100%
En un balón lleno de gas dicloro habrían aproximadamente 1,1x1022 átomos de cloro.
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Números de oxidación del átomo: sirve para averiguar la fórmula de las sustancias que forma dicho elemento químico.
1
H
1,00797 u ±1 2,1
Estado físico : en color rojo significa que la sustancia simple H2 a temperatura ambiente se encuentra en estado gaseoso. Se utiliza color azul para el estado líquido y negro para el estado sólido. Masa atómica : es el promedio de la masa de los isótopos naturales del elemento.
Electronegatividad de un átomo es la capacidad relativa de atraer a los electrones del enlace químico que establece con otro átomo.
Las propiedades que figuran y la posición que tienen en cada casillero depende de la edición. Para saber en qué posición está cada propiedad se deben observar las referencias que cita cada Tabla Periódica. 61
4
LEY PERIÓDICA Hay varias versiones de la Tabla Periódica, todas basadas en la Ley Periódica de los elementos químicos . ¿Qué establece dicha ley?
LA TABLA PERIÓDICA
La Tabla Periódica es un modelo que representa el comportamiento periódico de las propiedades químicas de los elementos químicos
FAMILIA DE ELEMENTOS
Los elementos agrupados en columnas tienen propiedades químicas similares por eso se dice que forman una familia.
Esto significa que, luego de una serie de elementos, las propiedades químicas comienzan a repetirse. Por ejemplo la reactividad química ; cada cierta cantidad de elementos aparece uno que es inerte y los elementos que le siguen inmediatamente tienen alta reactividad química, a este grupo de elementos químicos se les denomina metales alcalinos . A su vez, los elementos que le siguen a un metal alcalino tienen propiedades similares al elemento inmediatamente superior y así sucesivamente. Los elementos que se anteponen a los gases inertes , también tienen en común ciertas propiedades, como su gran reactividad química y se les llama halógenos .
GRUPOS Y PERÍODOS Debido a la Ley Periódica, al ordenar los elementos por criterio de número atómico creciente se distinguen columnas verticales de elementos químicos que tienen propiedades químicas semejantes, llamados grupos o familias. Además, a lo largo de una secuencia horizontal llamada período las propiedades varían gradualmente hasta que se comienzan a repetir y ahí se inicia un nuevo período.
Los elementos de transición interna se suelen ubicar al pie de la Tabla Periódica por razones de espacio. Si se los ubica en su lugar la Tabla Periódica queda más alargada.
UNA ARDUA TAREA La tarea de encontrar una regularidad en el comportamiento de los elementos químicos para poder ordenarlos fue trabajosa y con muchas idas y venidas. El descubrimiento de la Ley Periódica le fue reconocido a Dimitri Mendeleiev, químico ruso del siglo XIX, pero cabe aclarar que casi simultáneamente Lothar Meyer, químico alemán también llegaba a la misma conclusión. Ambos intentaban ordenar los elementos por orden creciente de masa atómica relativa , en esta época el concepto de número atómico de los elementos era desconocido.
Elementos de transición Elementos de transición interna
Ordenados los elementos según la Ley Periódica, la tabla queda dividida en tres zonas: los elementos representativos , los elementos de transición y los elementos de transicióninterna tal como muestra el gráfico anterior. Aunque no existe una frontera exactamente definida entre metales y no metales, se puede decir que a la izquierda y en el centro de la Tabla Periódica están ubicados los metales , mientras que a la derecha, sobre todo en la parte superior, se ubican los no metales .
NÚMERO ATÓMICO Y MASA ATÓMICA
Al aumentar el número atómico, en general aumenta la masa atómica. Aunque en algunos casos sucede lo contrario.
Concluían ambos que al ordenar los elementos según su masa atómica creciente, se observaba un modelo de repetición en sus propiedades. Meyer se dedicó a estudiar propiedades como el volumen atómico, la densidad o la temperatura de ebullición mientras que Mendeleiev estudió las propiedades de un poco más de 60 elementos conocidos en la época: reactividad, compuestos formados, etc. En su primer ordenamiento, Mendeleiev colocaba los elementos con propiedades similares en filas horizontales, años después rotó la disposición hasta dejarlos en columnas verticales. Pero en esta época no se conocían todos los elementos, por lo que en algún caso optó por dejar lugares vacíos y predijo que esas posiciones eran de elementos no conocidos. Tal es el caso del germanio y el galio que fueron descubiertos más tarde. Estos dos elementos, ubicados entre el zinc y el arsénico, no se conocían, sin embargo según las propiedades del arsénico debía ser colocado debajo del fósforo y no debajo del aluminio ni del silicio, por lo que Mendeleiev tan seguro de haber descubierto la Ley Periódica afirmó que debajo del aluminio y del silicio iban dos elementos aún no descubiertos.
Elementos representativos
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VERSIÓN ALARGADA DE LA TABLA PERIÓDICA
Las propiedades químicas de los elementos químicos muestran una repetición periódica cuando se los ordena en orden creciente de número atómico.
REFERENCIAS
UBICACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE TRANSICIÓN INTERNA: Estos elementos se suelen ubicar al pie de la Tabla Periódica por razones de espacio. Si se los ubica en su lugar la Tabla Periódica queda más alargada.
LEY PERIÓDICA
Dimitri Mendeleiev, químico ruso del siglo XIX.
Cuando los elementos predichos por Mendeleiev fueron descubiertos, no quedó duda sobre la aceptación de la Ley Periódica por la comunidad científica. A partir de entonces la Tabla Periódica se convierte en una valiosa guía que posibilita coordinar una inmensa cantidad de información químicaque hasta entonces no guardaba relación alguna. Por otra parte proporciona una herramienta fundamental para la búsqueda sistemática de elementos hasta entonces desconocidos.
Lothar Meyer, químico alemán del siglo XIX. 63
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GRUPOS O FAMILIAS ALGUNOS GRUPOS O FAMILIAS GRUPO 1: METALES ALCALINOS
Los metales alcalinos litio (Li), sodio (Na), potasio (K ), rubidio (Rb), cesio (Cs) y francio (Fr) constituyen el grupo 1 de la Tabla Periódica; los árabes los denominaron álcali que significa cenizas vegetales debido a que abundan en ellas. Presentan alta reactividad química , por ello no se encuentran libres en la naturaleza. Reaccionan fácilmente con los elementos del grupo 17 formando sales, como el cloruro de sodio o el cloruro de potasio.
Cloruro de sodio : es la sal utilizada como aderezo en las comidas. Es una sustancia compuesta de cationes sodio y aniones cloruro.
Sus átomos tienen una fuerte tendencia a perder un electrón, por esta razón se los encuentra en la naturaleza en forma de cationes (iones positivos). Los cationes de sodio y potasio son los más abundantes, el litio es escaso aunque está presente en casi todas las rocas, el rubidio y el cesio son muy escasos y el francio es radiactivo y muy escaso en la naturaleza. El sodio se encuentra en forma de catión en muchos alimentos y además la mayoría de las personas le agregan sal de mesa que también contiene catión sodio, por lo que se abusa del consumo de este elemento. Cabe agregar que existen otros agregados que se le hacen a los alimentos que también contienen este elemento. El catión sodio contribuye a que el organismo retenga agua lo que produce que la presión arterial aumente, esta patología se denomina hipertensión.
Los metales alcalinos reaccionan violentamente con el agua.
Cloruro de potasio: se utiliza como sustituto de la sal común por los hipertensos.
Bocio. 64
Como sustancias simples son metales blandos que se pueden cortar como si fueran queso. Tienen el brillo y el color característico de los metales, pero estas propiedades enseguida desaparecen porque quedan recubiertos del óxido que forman de inmediato con el oxígeno del aire. Reaccionan violentamente con el agua desprendiéndose gas hidrógeno.
GRUPOS O FAMILIAS Como sustancias simples , los halógenos son todos diatómicos, es decir que sus moléculas están formadas por dos átomos: F 2, Cl2, I2, Br2. En condiciones normales el diflúor es un gas amarillo muy peligroso que causa graves quemaduras en contacto con la piel. El dicloro es un gas amarillo-verdoso que reacciona con la mucosa de los pulmones, asfixiando a quien lo inhale. El dibromo es un líquido rojizo de fuerte olor, que irrita ojos y garganta y que ataca la piel y las mucosas. El diyodo es un sólido gris corrosivo, el contacto directo con la piel puede causar lesiones, sus vapores son muy irritantes para los ojos y las membranas mucosas. El astato, es muy escaso y radiactivo por lo que forma muy pocos compuestos los cuales son inestables.
GRUPO 18: GASES NOBLES (MONOATÓMICOS O INERTES)
El Helio (He), Neón (Ne), Argón (Ar), Kriptón (Kr), Xenón (Xe) y Radón (Rn) constituyen el grupo de los gases nobles. Estos elementos difícilmente reaccionan con otros por eso también se les denomina gases inertes. Debido a ello existen en forma de átomos libres , por eso también se les llama gases monoatómicos . Son escasos en el planeta Tierra y no presentan ni olor ni color. El calificativo de nobles que reciben, se debe a que la resistencia a reaccionar con otros elementos recordaba un poco a la petulancia de la nobleza aristocrática. El helio, es el segundo elemento químico en abundancia en el universo, después del hidrógeno. El gas helio es menos denso que el aire, por ello es empleado para inflar globos, globos aeroestáticos y dirigibles. El néon y el argón se utilizan como relleno de bombitas de luz y tubos fluorescentes, como no reaccionan hacen que el filamento dure más tiempo.
GRUPO 17: HALÓGENOS
El argón es el más abundante de los gases inertes en el Planeta, aproximadamente el 1 % de la atmósfera es argón. Se emplea, junto con helio en procesos metalúrgicos de manera de evitar la oxidación de los metales.
Los halógenos flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br), yodo ( I) y astato (At) constituyen el grupo 17 de la Tabla Periódica; su nombre significa “formador de sales”.
A pesar de su casi nula reactividad química se han podido obtener compuestos de Xenón y Kriptón con flúor.
Tienen alta reactividad química , sus átomos tienen una fuerte tendencia a ganar un electrón para formar aniones (iones negativos). En la naturaleza se encuentran formando sales, por ejemplo con los elementos del grupo 1, como el cloruro de sodio (formado por cationes sodio y aniones cloruro). El elemento yodo presente en ciertos vegetales marinos, como las algas, es utilizado por el cuerpo humano para que la glándula tiroides pueda sintetizar determinadas hormonas llamadas comúnmente T3 y T4. El déficit de yodo provoca hipotiroidismo , para tratar de compensar este déficit, la tiroides comienza a agrandarse lo que se llama bocio. Las hormonas segregadas por la tiroides son esenciales para el desarrollo normal del individuo y su deficiencia en los niños puede causar retardos en el crecimiento, problemas en el sistema nervioso y disminución del coeficiente intelectual.
MODELOS MOLECULARES DE:
Representación partícula-vacío del helio.
ACTIVIDADES 1. a. ¿Qué provoca la sobreingestión de sodio en el organismo? b. ¿Qué productos aportan catión sodio a la ingestaalimenticia? c. Realizar el cálculo de la cantidad de sodio diaria que aporta una ingesta de snack “salados” y compararla con la ingesta diaria recomendada de sodio. 2. a. Averiguar cuál es la función del yodo en la tiroides.
b. ¿Qué sucede cuando hay déficit de yodo? c. Averiguar por qué en ciertos países es más frecuente el hipotiroidismo 3. Explicar la reactividad química de las tres familias de elementos químicos estudiadas y cómo se encuentran en la naturaleza. 4. ¿Qué tipo de sustancias forman los elementos del grupo 1 con los elementos del grupo 17? ¿Son simples o compuestas? 65
4
PARA PROFUNDIZAR EL HIDRÓGENO, UN ELE MENTO MUY PARTICULAR Los átomos de hidrógeno son los más sencillos y pequeños que existen en el Universo. Están formados por un solo protón en su núcleo. Existen tres isótopos de él, el protio, el deuterio y el tritio. Su comportamiento químico no se asemeja a ningún otro elemento, por ello su ubicación en la Tabla Periódica es un dilema; la mayoría de las versiones optan por ubicarlo en el grupo 1, pero este elemento no pertenece a la familia de los metales alcalinos, ¡ni siquiera es un metal! Se estima que de la masa total del Universo alrededor del 74% es hidrógeno, las estrellas, Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno están constituidos principalmente por este elemento.
Ojo de dios, nebulosa cuyo anillo gaseoso está compuesto de hidrógeno y nitrógeno y la zona azul de oxígeno.
Fue descubierto por Henry Cavendish químico británico en el siglo XVIII quien propuso que el agua era una sustancia compuesta de hidrógeno y oxígeno, pero quien le otorgo el nombre hidrógeno fue el químico francés Antoine Laurent Lavoisier. Debido a su alta reactividad química no se encuentra libre en la naturaleza, si se presentan en muchos compuestos comunes como el agua, el amoníaco, en muchos minerales, en los ácidos y los hidróxidos y en todos los compuestos orgánicos. Como sustancia simple está en forma de moléculas diatómicas (H2), las moléculas más pequeñas que existen. El dihidrógeno, en condiciones normales, es un gas incoloro, inodoro e insípido pero muy inflamable.
METALES, NO METALES Y SEMIMETALES fuego en medio de una tormenta eléctrica. La imagen del desastre se divulgó en el mundo entero. Una chispa eléctrica debido a la tormenta encendió la estructura construida de algodón, óxido de hierro y polvo de aluminio (mezcla altamente inflamable). Esta llama encendió el dihidrógeno y la incineración demoró solo segundos.
Tabla que muestra imágenes de objetos formados por sustancias simples corrientes de los elementos químicos.
La incineración demoró solo segundos.
Debido a su baja densidad, fue utilizado en el Hindenburg, el famoso zeppelin construido en 1935 en Alemania. Se decidieron por el uso de dihidrógeno en lugar de helio porque Estados unidos había hecho un embargo sobre dicho gas noble. Las dimensiones de la aeronave eran considerables y pudo cruzar varias veces el Océano Atlántico. Pero el 6 de marzo de 1937, al llegar a New Jersey, se prendió
ACTIVIDADES 1. Observar diferentes ediciones de la Tabla Periódica y discutir el criterio de ubicación del hidrógeno elegido. 2. a. ¿Por qué se incendió el Hindenburg? b. ¿Hubiera sucedido lo mismo si se hubiera usado helio? c. ¿Por qué no se usó helio? 3. Escribir la ecuación de combustión del dihidrógeno.
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METALES, NO METALES Y SEMIMETALES
METALES La utilización de los metales ha cumplido un rol fundamental en la historia de la humanidad, se han construido desde ingenios mecánicos hasta grandes piezas de arte. A temperatura ambiente, los metales, se encuentran en estado sólido a excepción del mercurio y el galio. La mayor parte de ellos, presenta un brillo característico , por lo menos recién lustrados y su color está entre plateado o grisáceo, a excepción del cobre y el oro.
Torre Eiffel, emblema de París construido en acero. Tiene 321m de altura y fue la construcción más elevada del mundo hasta 1931.
Cinta de magnesio. Son buenos conductores del calor y la corriente eléctrica. La plata es el metal que mejor conduce la eléctricidad, pero es muy costosa, por ello el metal utilizado corrientemente es el cobre, que además es muy dúctil, o sea se puede deformar formando hilos, por lo que se fabrican cables de cobre. Bajo la acción de fuerzas, los meta- Hilos de cobre. les pueden deformarse sin romperse como el cobre. Se dice que un material es maleable si se lo puede deformar haciendo láminas. Si con él se pueden hacer hilos, se dice que es dúctil.
Láminas de acero.
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4
METALES, NO METALES Y SEMIMETALES Se los suele usar en forma de aleaciones. Una aleación es una mezcla homogénea sólida en la cual una de las sustancias es un metal. Una aleación muy utilizada es el acero, una mezcla de hierro y carbón básicamente.
ORO 18K: aleación 75% oro y 25% cobre. PLATA 900: aleación 90% plata y 10% cobre.
No tienden a combinarse unos metales con otros, por lo que no se encuentran sustancias compuestas de dos metales. Pero reaccionan con los no metales formando diversos compuestos. Los metales como el cobre la plata y el oro son los mas conocidos debido a que su baja reactividad química les permite encontrarse como sustancias simples (“libres en la naturaleza”).
METALES, NO METALES Y SEMIMETALES NO METALES Los elementos no metálicos se ubican hacia la derecha de la Tabla Periódica, sobre todo en la parte superior. Sus propiedades no son tan generalizables como lo son para los metales. Así, por ejemplo, el color y el estado físico a temperatura ambiente de sus sustancias simples son muy variados.
Diamante : otra de las formas en las que se presenta el elemento carbono.
PERO, �CUÁLES SON LOS ELEMENTOS QUÍMICOS CON PROPIEDADES METÁLICAS MÁS MARCADAS? Los elementos químicos con propiedades metálicas más marcadas son los elementos del grupo 1, los metales alcalinos. Estos elementos son tan reactivos, que sus sustancias simples no se encuentran “libres” en la naturaleza. Para conservarlos, sin que reaccionen con el vapor de agua presente en el aire se deben guardar en derivados del petróleo. Si se ponen a reaccionar sodio, magnesio y aluminio con agua, se observa que la reactividad con agua disminuye sucesivamente. ¿Qué significa esto? Esto significa que el carácter metálico a lo largo de un período se hace menos marcado (de izquierda a derecha). Sodio metálico, se debe almacenar en un derivado del petróleo.
Dibromo : líquido rojo, volátil y peligroso al contacto.
Grafito: forma en la que se presenta el elemento carbono.
Azufre sólido : utilizado en la fabricación de pólvora.
En general, no presentan brillo, salvo por ejemplo, el yodo, o algunas variedades del azufre. No son maleables ni dúctiles, por el contrario tienden a ser quebradizos y frágiles a excepción del diamante que es el material más duro que se conoce.
Electrodos de grafito .
En cuanto a la conductividad eléctrica, en general son malos conductores a excepción del carbono grafito, que se utiliza por ejemplo como electrodo en las pilas comunes.
METALOIDES O SEMIMETALES Son los elementos ubicados en la Tabla Periódica en la región intermedia entre los metales y los no metales, por ejemplo, boro, silicio, germanio y arsénico. Recordando cómo varían las propiedades metálicas a lo largo de un pe ríodo, se puede entender que las propiedades de estos elementos sean intermedias entre metálicas y no metálicas. El sodio es un metal blando como la manteca.
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En un grupo las propiedades metálicas se atenúan a medida que aumenta el número atómico. Por ejemplo, el sodio tiene mayor carácter metálico que el potasio.
Son sólidos a temperatura ambiente y la mayoría posee brillo, pero son malos conductores del calor. La principal característica es que son semiconductores de la electricidad, conductividad que a diferencia de los metales varía notablemente con los cambios de temperatura.
Silicio: material excelente para su aplicación como semiconductor.
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PARA PROFUNDIZAR DEMÓCRITO Y SUS ÁTOMOS EN BUSCA DE ALGO MUY PEQUEÑO A continuación se plantea un diálogo ficticio entre Demócrito, y un físico de nuestros tiempos, León Lederman, Premio Nobel de Física en 1988 y Director del Fermilab (Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi, Batavia, Illinois) entre 1979 y 198 9. El diálogo, con adaptaciones, fue extraído del libro “La Partícula Divina”de León Lederman y Dick Teresi.
Demócrito, filósofo griego (460 a.C.-370 a.C.)
Lederman: Perdóneme. ¿es usted el nuevo matemático que se suponía nos iban a mandar de la Universidad de Chicago? El tipo de la Toga : ese es mi oficio, la ciudad no. Mi nombre es Demócrito. Vengo de Abdera, no de Chicago. Me llaman el Filósofo que ríe. Lederman: ¿Abdera? Demócrito: Localidad de Tracia, en Grecia propiamente dicha. Lederman: No recuerdo haber llamado a nadie de Tracia. No nos hace falta un filósofo que ríe. En el Fermilab soy yo quien cuenta todos los chistes. Demócrito: Sí, he oído hablar del Director que Ríe. No se preocupe. Dudo que me quede aquí mucho tiempo; no, por lo menos, habida cuenta de lo que he visto hasta ahora. Lederman : Entonces, ¿por qué está usted ocupando un sitio en la sala de control? Demócrito: Busco algo. Algo muy pequeño. Lederman: Ha venido al lugar apropiado. Lo pequeño es nuestra especialidad. Demócrito: Eso me han dicho. Llevo buscándolo veinticuatro siglos. Lederman: ¡Ah, usted es ese Demócrito! Lederman: ¿A qué viene esta visita a Batavia en esta época? Demócrito: Sólo quiero comprobar una de mis ideas, una que, por desgracia, mis compatriotas abandonaron. Lederman: Apuesto a que se refiere al átomo, al átomos. Demócrito: Sí, el á-tomo, la partícula última, indivisible e invisible. El ladrillo con el que se hace la naturaleza. He ido saltando por el tiempo adelante para ver hasta qué punto se ha refinado mi teoría. Lederman: Y su teoría era… Demócrito: ¡Ah, ahora entramos en materia! La obra de Parménides y Empédocles preparó el terreno para la mía. Creo en el á-tomo, o átomo, que no se puede partir. El átomo es el ladrillo del que está hecho el universo. Toda la materia se compone de disposiciones diversas de átomos. Es la cosa más pequeña que hay en el universo. Lederman: ¿Teníais en el siglo v a.C. los instrumentos necesarios para hallar ob jetos invisibles? Demócrito: No exactamente para “hallarlos”. Lederman: ¿Para qué entonces? Demócrito: Quizá “descubrir”sea una palabra mejor. Descubrí el átomo mediante la Razón Pura. Lederman: Lo que está diciéndome es que sólo pensó en ello, no se molestó en hacer algún experimento. Demócrito: [con gestos se refiere a las secciones lejanas del laboratorio]: Algunos experimentos los hace mejor la mente que los mayores y más precisos instrumentos. Lederman: ¿Qué le dio a usted la idea de los átomos? Fue, he de admitirlo, una hipótesis brillante. Pero va mucho más lejos que las ideas que le precedieron. Demócrito: El pan.
PARA PROFUNDIZAR Lederman: ¿El pan? ¿Para ganárselo se le ocurrió a usted? Demócrito: No hablo de ese pan. Fue antes de la era de las subvenciones. Me refiero al pan de verdad. Un día, durante un prolongado ayuno, alguien entró a mi estudio con un pan recién sacado del horno. Antes de verlo ya sabía que era pan. Pensé: una esencia invisible del pan ha via jado hasta llegar a mi nariz griega. Hice una nota sobre los olores y reflexioné sobre otras “esencias viajeras”. Un charco de agua se encoge y acaba por desaparecer. ¿Por qué?¿Cómo? ¿Es posible que, como le pasaba a mi pan caliente, salten del charco unas esencias invisibles del agua y viajen largas distancias? Un montón de pequeñeces así; las ves, piensas en ellas, hablas de ellas. Mi amigo Leucipo y yo discutimos días y días, a veces hasta que salía el sol y nuestras mujeres venían con un garrote a por nosotros. Al final llegamos a la conclusión de que si todas las sustancias estaban hechas de átomos, invisibles porque eran demasiado pequeños para el ojo humano, tendríamos demasiados tipos diferentes: átomos de hierro, átomos de pétalos de margarita, átomos de las patas de delante de una abeja… Un sistema tan feo que no sería griego. Entonces se nos ocurrió una idea mejor. Ten sólo unos cuantos estilos de átomos, el liso, el basto, el redondo, el angular…Ponlos entonces en el espacio vacío…Qué esos átomos se muevan al azar. Que se muevan sin cesar, que choquen ocasionalmente y a veces se peguen y junten. Entonces una colección de átomos hará el vino, otra el vaso en que se sirve, el queso, las aceitunas… Lederman: ¿Y usted planteó esa idea en la Grecia del siglo v a.C? Demócrito: Sí, ¿por qué? ¿Son tan diferentes vuestras ideas hoy? Lederman: Bueno, la verdad es que son casi las mismas. Lo que pasa es que odiamos que usted lo haya publicado antes. Demócrito: Pero lo que los científicos llamáis átomo no es lo que yo tenía en mente. Lederman: Ah eso es culpa de algunos químicos del siglo XIX. No, nadie cree hoy que los átomos de la Tabla Periódica de los elementos - el hidrógeno, el oxígeno, el carbono, etc.- sean objetos indivisibles. Esos tíos corrieron demasiado. Creyeron que habían encontrado los átomos en que usted pensaba… Demócrito: ¿Y hoy ya lo habéis encontrado? Lederman: Los habéis encontrado. Hay más de uno. Demócrito: Sí , claro. Leucipo y yo creíamos que había muchos. ... Sin duda. Mi compañero Leucipo y yo inventamos el átomo. Por lo tanto, necesitábamos algún sitio donde ponerlo. Leucipo se lió del todo tratando de definir el espacio vacío en el que pudiéramos poner nuestros átomos. Si está vacío, no es nada, y, ¿cómo puede definirse la nada? Parménides tenía una prueba acorazada de que el espacio vacío no puede existir. Al final, decidimos que su prueba no existía. Fue para nosotros un verdadero problema. Los modernos, ¿aceptáis el vacío sin rechistar? Lederman: No hay más remedio. Nada funciona sin, bue-
no, la nada. Pero incluso hoy en día es un concepto difícil y complejo. Demócrito: Puede imaginarse lo difícil que era en el 420 a.C explicar el vacío. Parménides había negado la realidad del espacio vacío. Leucipo fue el primero que dijo que no podría haber movimiento sin un vacío, luego el vacío había de existir. Pero Empédocles sacó un inteligente truco que engañó a la gente por un tiempo. Dijo que el movimiento podía tener lugar sin espacio vacío. Fijaos en un pez que nada por el océano, dijo. La cabeza aparta el agua, y ésta se mueve de forma instantánea al espacio que deja en la cola el pez en movimiento. Los dos, el pez y el agua están siempre en contcato. Olvídense del espacio vacío. Lederman: ¿Y la gente se tragó ese argumento? Demócrito: Empédocles era un hombre brillante, y ya antes había demolido eficazmente argumentos a favor del vacío. Lederman: ¿Y entonces cómo llegó usted a aceptar el vacío? Usted respetaba el pensamiento de Empédocles, ¿no? Demócrito: En efecto, y este punto me tuvo frustrado mucho tiempo. El vacío me crea problemas. ¿Cómo lo describo? Si de verdad no es nada, entonces, ¿cómo puede existir? Pero… ¿Cómo puedo imaginar mis átomos si no puedo sentir el vacío en el que han de moverse? Y, sin embargo, si quiero explicar el mundo de alguna forma con los átomos, he de definir en primer lugar algo que, al carecer de propiedades, parece tan indefinible... Lederman: Así que, ¿qué hizo usted? Demócrito: [riéndose]: Decidí no preocuparme. Dejé el problema en el vacío. … Hablando en serio...con mi amigo Leucipo intentamos una explicación... Pero casi siempre me decía a mí mismo por aquel entonces, y aún lo creo, que uno no debe quedarse estancado para siempre por culpa de los impasses lógicos. Tiramos adelante, continuamos como si se pudiera aceptar la nada… Supongo que a ustedes, los experimentadores modernos, os chocará esta actitud. Tenéis la necesidad de probar todos y cada uno de los puntos para progresar. Lederman: No, su punto de vista es muy moderno. Nosotros hacemos lo mismo. Damos cosas por sentado, o nunca iríamos a parte alguna… Y se nos conoce por haberles dado la espalda a quebraderos de cabeza que dejamos para los físicos del futuro. Demócrito: Ya empieza a tener sentido lo que dice usted. Lederman: Así que, en resumidas cuentas, su universo, es muy simple. Demócrito: Aparte de átomos y espacio vacío, nada existe; lo demás es opinión.
Abdera, ciudad donde vivió Demócrito.
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ELECTRONES Y UNIONES QUÍMICAS
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EL ROL DE LOS ELECTRONES
EL ROL DE LOS ELECTRONES
EL ROL DE LOS ELECTRONES
LA ENERGÍA DE LOS ELECTRONES EN EL ÁTOMO
En el capítulo anterior quedó planteada la idea de que la “identidad” de un elemento químico reside en la cantidad de protones que contiene el núcleo de sus átomos. Los isótopos tienen distinta cantidad de neutrones y debido a ello, distinto número másico (A), pero pertenecen al mismo elemento químico porque tienen el mismo número atómico (Z).
No es sencillo describir el estado de los electrones en la periferia por lo que sólo se señalarán algunos conceptos básicos: • El estado de cada electrón en la periferia depende de su energía. La ener -
gía del electrón se debe a su propio movimiento (cinética) y a las interacciones electromagnéticas que establece con el núcleo y con los otros electrones(potencial). • En el átomo, la energía de los electrones no puede tener cualquier valor.
J. J. Thomson trabajando con un tubo de rayos catódicos. Sus experimentos condujeron al descubrimiento del electrón.
¿Por qué es tan importante el número atómico? Dado que la carga del protón y del electrón sólo difieren en el signo y el átomo es eléctricamente neutro: en un átomo, la cantidad de protones es igual a la de elec trones.
Existen estados energéticos permitidos y estados energéticos prohibidos. Se dice que la energía del electrón está cuantizada. • Los estados permitidos se corresponden con niveles energéticos. La energía de los distintos niveles aumenta con la distancia al núcleo. El electrón más alejado del núcleo es el que tiene mayor energía. • Para que un electrón cambie de nivel energético debe absorber o liberar
cantidades fijas de energía en forma de radiación electromagnética.
La cantidad de electrones en un átomo coincide con el valor de Z. La periferia del átomo posee tantos electrones (cargados negativamente) como protones (cargados po sitivamente) posee el núcleo.
• Existe un estado de mínima energía en el que los electrones que ocupan
los distintos niveles energéticos no emiten radiación electromagnética; se lo denomina estado fundamental. • Sólo siete niveles energéticos están ocupados -como máximo- en los
átomos de los elementos existentes en su estado fundamental.
Tubo de rayos catódicos utilizado por Thomson en Cambridge
Un exceso o un defecto de electrones con respecto al número de protones conduce a la formación de iones negativos (aniones) o positivos (cationes).
Partícula
Denominación
p+
e-
Carga neta
K
Átomo de potasio
19
19
0
Mg2+
Catión magnesio
12
10
2(+)
Cl-
Anión cloruro
17
18
1(-)
19
12
17
• Si los electrones que se encuentran en el estado fundamental absorben
energía, pueden ser promovidos a niveles de energía más altos. El átomo pasa entonces a un estado excitado. En casos extremos, el electrón puede ser extraído totalmente del átomo produciéndose la ionización positiva del mismo. • Cada nivel energético admite un número máximo de electrones: 2n 2, siendo “n”un número natural que identifica al nivel de energía y que se conoce como número cuántico principal. La periferia es mucho más compleja que lo que se acaba de describir: los niveles energéticos se desdoblan en subniveles y éstos a su vez, en orbitales. Cada orbital atómico admite un máximo de dos electrones.
ORBITALES QUÍMICA Y PERIFERIA
En 1913 J. J. Thomson identificó dos isótopos estables del Neón utilizando un tubo de rayos catódicos. En la fotografía (tomada por el propio Thomson) se destacan las impresiones dejadas en la placa fotográfica por el 20 Ne y el 22Ne.
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La Química se ocupa fundamentalmente de las interacciones entre las periferias atómicas. Las propiedades químicas características de un elemento están determinadas por los electrones presentes en la periferia de sus átomos. Pero en última instancia, es la carga del pequeño y lejano núcleo atómico, la que define el comportamiento químico del elemento.
Es muy importante no confundir los conceptos de “órbita”y “orbital”. Los electrones en el átomo no describen órbitas, no tienen una posición, velocidad ni trayectoria definidas. Por ello, no podemos conocer completamente cuál es su estado en un momento dado. Un orbital no es más que una zona –definida matemáticamente- dentro de la cual la probabilidad de encontrar al electrón es muy alta. Todas las representaciones conocidas del átomo son esencialmente incorrectas: el átomo no puede ser representado.
La fotografía superior muestra un tubo de vidrio provisto de dos electrodos conocido como “tubo de descarga”. Contiene un gas (en este caso hidrógeno) a baja presión . Éste fue sometido a una diferencia de potencial de 4000 voltios. En esas condiciones, los átomos del gas reciben energía y sus electrones son promovidos a niveles superiores. Al regresar al estado fundamental, los átomos excitados emiten energía en forma de luz. La luz emitida por un tubo de descarga puede ser analizada con el instrumento de la fotografía inferior: un espectroscopio. Al pie del espectroscopio se ha superpuesto la foto tomada por estudiantes que analizaron el espectro de emisión del hidrógeno atómico. El estudio de esas líneas luminosas abrió -hace más de un siglo- el camino hacia la comprensión de la periferia del átomo.
Billete griego de 100 dracmas con la efigie de Demócrito junto a la representación “clásica”del átomo.
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PARA PROFUNDIZAR
La solución de cloruro de potasio en metanol arde y la llama adquiere el color violeta característico del potasio. Las líneas espectrales brindan información sobre la energía de los electrones en los átomos de este elemento.
EL ROL DE LOS ELECTRONES
UNA VISTAZO AL ÁTOMO MECÁNICO�CUÁNTICO
PERIFERIA Y LEY PERIÓDICA
La física moderna brinda una descripción matemática de la periferia del átomo muy diferente a las representaciones clásicas.
Si para definir las propiedades químicas del átomo sólo fuera importante el número de electrones presentes en la periferia, deberían existir más de 100 formas diferentes de comportamiento químico (tantas como elementos conocidos). Si así fuera, los químicos deberían estudiar cada elemento y sus propiedades como si se tratara de un caso particular.
La figura pretende aproximar al lector a esta descripción. Se ha elegido representar la distribución electrónica para un átomo de potasio en su estado fundamental. Los niveles energéticos ocupados van de n=1 a n=4. Cuánto más arriba se encuentra el nivel representado, mayor es su energía. Se observa que estos niveles se desdoblan en subniveles (s, p, d y f ) con energía diferente. Por su parte, estos se subdividen en orbitales (representados en el diagrama energético como cuadros blancos). Las formas de algunos de esos orbitales (recordar que no son entidades físicas sino funciones matemáticas) aparecen abajo a la derecha. Los electrones del átomo de potasio están representados convencionalmente por flechas que indican el valor de su “spin” (momento angular intrínseco del electrón; a menudo asociado con un supuesto giro de la partícula sobre su propio eje). Un orbital puede alojar como máximo dos electrones en cuyo caso el spin de éstos es “opuesto”.
Por fortuna Mendeleiev encontró criterios para agrupar a los elementos según sus propiedades. La Ley Periódica simplifica enormemente el estudio de la Química. En tiempos de Mendeleiev no se contaba con una explicación para el cumplimiento de la Ley Periódica; hoy si. La manera en que los electrones se disponen en la periferia permite explicar la periodicidad de las propiedades químicas. De acuerdo a lo visto, cada nivel admite un número máximo de electrones dado por la fórmula: 2n 2. Sin embargo, este máximo no se alcanza siempre ya que los elementos existentes no cuentan con electrones suficientes como para completar los niveles 5, 6 y 7. Nivel energético
n=1 n=2 n=3 n=4 n =5 n=6 n=7
N° máximo de electrones (teórico: 2n2) 2 8 18 32 50 72 98
N° máximo de electrones en los elementos existentes 2 8 18 32 32 18 (*)
(*) Se ha tomado como último elemento al uranio. La mayoría de los transuránicos son elementos sintéticos altamente inestables; su existencia es demasiado breve como para incorporar al núcleo una periferia estable.
En 1871 Mendeleiev anticipó que el lugar ubicado debajo del silicio en la Tabla Periódica, sería ocupado en el futuro por un elemento aún desconocido al que llamó “ekasilicio”. Pero no se limitó a prececir su existencia; predijo también sus propiedades. En 1886 se descubrió el germanio. Sus propiedades resultaron ser asombrosamente parecidas a las que Mendeleiev le atribuyera al ekasilicio. Once años después se descubrió el electrón. Mendeleiev falleció en 1907, cuando el conocimiento del átomo estaba a punto de brindar un sólido sustento teórico a su Ley Periódica. 78
El radio atómico es función periódica del número atómico del elemento. Puede verse cómo en los metales alcalinos, se repite la tendencia a presentar un radio atómico grande y cómo su valor decrece a medida que se progresa a lo largo de cada período. Esta propiedad incide sobre otras como la energía de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad.
Germanio: muestra del elemento cuya existencia predijo Mendeleiev. Sus carácter de material semiconductor -similar al silicio- está vinculado con su ubicación en la Tabla Periódica. En la imagen inferior se ve un diodo de germanio, componente fundamental de los circuitos empleados en electrónica
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EL ROL DE LOS ELECTRONES
EL ROL DE LOS ELECTRONES
PERÍODOS Y NIVELES ENERGÉTICOS ELECTRÓN DIFERENCIANTE
¿En qué se diferencia la periferia de un átomo de oxígeno de la de un átomo de nitrógeno? El átomo de oxígeno tiene 8 electrones en su periferia mientras que el de nitrógeno tiene 7. Ese electrón adicional, que diferencia al átomo de un elemento de su vecino inmediato en la Tabla Periódica, es conocido como electrón diferenciante.
El siguiente experimento mental puede resultar útil: imaginar que se “construye” un átomo de cada elemento agregando uno por uno los electrones que le corresponden de acuerdo a su número atómico Z. ¿En qué nivel energético se encuentra el último electrón agregado? Siete es el número máximo de niveles energéticos que pueden estar ocupados por electrones en los átomos de los elementos existentes. También son siete los períodos de la Tabla Periódica. Sin embargo, la correspondencia entre nivel energético y período no es exacta.
COLOR
En adelante se trabajará con los elementos representativos de Z = 1 (H), a Z = 20 (Ca).
Para éstos la distribución electrónica es la siguiente: DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA
En la figura fueron pintados del mismo color los elementos cuyos electrones diferenciantes se encuentran en el mismo nivel energético. Como se ve, en el período cuatro hay diez elementos (color amarillo) cuyos átomos no están completando el nivel 4 sino el 3. Esto se repite en los períodos 5 y 6. Observando la figura es posible advertir otras anomalías. Pe río do
Electrones por nivel energético para átomos de algunos elementos:
1 2 3 4 5 6 7
N° má xi mo de el ec tro ne s e n e l nivel ocupado más alto 2 8 8 8 8 8 2*
La relación entre los niveles energéticos ocupados y las propiedades químicas de los elementos, permite agruparlos en la Tabla Periódica en tres categorías: elementos representativos , elementos de transición y elementos de transición interna .
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Elemento H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca
Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
n=1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
n=2
n=3
n=4
1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
1 2 3 4 5 6 7 8 8 8
1 2
Una de las características más vistosas de los elementos de transición es la de ser metales cuyas sales presentan colores intensos. Las causas del color deben atribuirse a los electrones que se encuentran en un nivel incompleto, de energía menor que la del último ocupado. Muchas piedras preciosas deben sus colores al mismo fenómeno. En el caso de la esmeralda (foto inferior), la presencia de pequeñas cantidades de cromo y vanadio determina su característico color verde
En la tabla se destaca en color el número de electrones presentes en el nivel más alto ocupado a los que se llama electrones de valencia . Con un color más intenso se indica que el nivel se ha completado.
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EL ROL DE LOS ELECTRONES
EL ROL DE LOS ELECTRONES
HALÓGENOS
GRUPOS Y ELECTRONES DE VALENCIA
DIAGRAMAS DE LEWIS
Elementos de la familia de los halógenos y muestras de las sustancias simples formadas por ellos.
En los elementos representativos existe una correspondencia, entre el número de electrones de valencia que tiene el átomo y el grupo que le corresponde al elemento en la Tabla Periódica.
En los diagramas electrónicos de puntos (conocidos como diagramas de Lewis) se representa al átomo de un elemento de manera simplificada: • Se escribe el símbolo químico rodeado de tantos puntos como electro-
nes de valencia tengan sus átomos. • Los electrones de los niveles energéticos más bajos no se representan
(el símbolo químico los incluye junto con el núcleo atómico) • El número de electrones representados va de 1 a 8. Se los ubica “en
cruz” en la siguiente secuencia: arriba, derecha, abajo e izquierda; de a uno por vez (el orden señalado puede alterarse según convenga). A partir del quinto electrón se forman pares o dobletes electrónicos.
En la figura se representan los 20 primeros elementos de la Tabla Periódica. Los elementos que integran cada grupo fueron pintados del mismo color aludiendo a la similitud en sus propiedades químicas. Los electrones de valencia están representados por los puntos que rodean al símbolo químico (diagrama de Lewis). Se observa que el número de electrones de valencia es el mismo dentro de cada grupo y coincide - exceptuando al helio- con el número asignado al grupo. En los elementos representativos, el número de electrones de valencia que presentan sus átomos es el principal responsable de las propiedades químicas del elemento.
Las similitudes químicas entre los halógenos son notorias. Sin embargo, propiedades tan relevantes como el estado de agregación varían a lo largo del grupo. El cambio gradual en las propiedades de los elementos que integran un grupo determinado es un aspecto más de la Ley Periódica. 82
Esta notación será muy útil en la representación del enlace químico, ya que -en principio- serán los electrones desapareados los que participarán en el mismo.
El helio es un gas noble peculiar. Considerando que el primer nivel energético admite un máximo de dos electrones, corresponde que -en el diagrama de Lewis- se represente a los dos electrones del átomo de helio como apareados. Esta representación es consistente con la reconocida estabilidad química de este elemento.
DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA Y ESTABILIDAD QUÍMICA Observando el diagrama de Lewis para los elementos del grupo VIIIA puede verse que sus átomos –excepto los de He- tienen cuatro pares de electrones de valencia: un octeto electrónico completo. Los elementos del grupo VIIIA son sumamente estables desde el punto de vista químico. Salvo en condiciones muy especiales no se combinan con otros elementos y existen en forma libre en estado gaseoso. Por ello se los conoce como gases nobles, monoatómicos o inertes . Es inevitable asociar ese octeto electrónico característico con la estabilidad que manifiestan estos elementos.
METALES, NO METALES Y “REGLA DEL OCTETO” Si en la distribución electrónica de los gases monoatómicos reside su estabilidad química, cabe interpretar la reactividad química característica de los restantes grupos como una tendencia a alcanzar la estabilidad adquiriendo una distribución electrónica semejante a la del grupo VIII A.
El potasio es un metal típico. Es muy reactivo por lo que no se le encuentra libre en la naturaleza. En sus combinaciones y en las soluciones de las mismas existe como catión (carga 1+) y no como átomo. ¿A qué se debe este comportamiento?
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UNIONES QUÍMICAS LA DIVERSIDAD DEL MUNDO MATERIAL “...estos átomos se mueven en el vacío infinito, separados unos de otros y diferentes entre sí en figuras, tamaños, posición y orden; al sorprenderse unos a otros colisionan y algunos son expulsados mediante sacudidas al azar en cualquier dirección, mientras que otros, entrelazándose mutuamente en consonancia con la congruencia de sus figuras, tamaños, posiciones y ordenamientos, se mantienen unidos y así originan el nacimiento de los cuerpos compuestos.” (Simplicio de Cilicia –Siglo VI)
Siempre que se forma un enlace químico se libera energía. El proceso inverso -llamado disociación del enlacesiempre absorbe energía.
¿Cómo es posible que un centenar de elementos químicos produzca una variedad tan grande de materiales? ¿Dónde residen las propiedades que permiten diferenciar a las sustancias? La Química ha dado respuesta a estas interrogantes a través de los conceptos de composición , enlace y estructura . Las propiedades de las sustancias no pueden explicarse o deducirse totalmente a partir de su composición: no basta con saber qué átomos la integran y en qué proporción lo hacen. Se debe conocer además cómo se unen esos átomos y cómo se orientan esas uniones en el espacio. En lo que sigue se estudiarán las maneras en que los átomos se unen mediante enlaces químicos.
Un átomo solitario de un elemento cualquiera es más estable en su estado fundamental. En ese estado su contenido energético es mínimo y en él permanecería indefinidamente si no intervinieran factores externos. Cuando los átomos se acercan lo suficiente como para interactuar entre sí aparecen nuevas posibilidades: la unión de dos o más átomos puede producir un estado de menor energía aún (un estado más estable). La fuerza responsable de esta unión es el “enlace químico”.
Los seres vivos han desarrollado mecanismos eficientes para administrar la energía que requieren los procesos metabólicos. Los cloroplastos de algas y vegetales capturan la energía electromagnéticaproveniente del sol y la convierten en energía química. Los enlaces covalentes formados en la fotosíntesis son la reserva energética fundamental de la biósfera.
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Las maneras diferentes en que la fuerza electromagnética mantiene unidos a átomos e iones determinan los tres tipos básicos de enlace químico: iónico, covalente y metálico . En los tres ocurre un reordenamiento de los electrones de la periferia de los átomos. Si para simplificar los ejemplos se considera que se unen sólo dos átomos: • Puede suceder que un átomo le transera uno o más electrones a otro.
Entonces, los iones formados (uno positivo o catión y uno negativo o anión) quedan unidos por la fuerza de atracción electrostática. Se produce un enlace iónico.
¿Qué fuerzas fundamentales intervienen en el enlace químico?
Ni la gravedad (los átomos tienen una masa muy pequeña), ni las fuerzas nucleares (son de muy corto alcance y su valor es nulo fuera del núcleo atómico) pueden ser las responsables del enlace químico.
REDES CRISTALINAS
• Puede que dos átomos se unan a través de un par de electrones com-
partidos. Se produce un enlace covalente simple. Si la unión ocurre a través de dos o tres pares de electrones compartidos, el enlace covalente será doble o triple . • Puede que los átomos enlazados “pierdan” uno o más electrones de
valencia. Se convierten en cationes rodeados por los electrones perdidos. Estos electrones ya no le pertenecen a ningún átomo en particular; decimos que están deslocalizados. Se produce un enlace metálico.
ENLACE
ÁTOMOS ELECTRONES Y ENERGÍA: EL ENLACE QUÍMICO ENERGÍA , ENLACE Y VIDA
UNIONES QUÍMICAS
Iónico Covalente Metálico
Reordenamiento electrónico Transferencia Compartición Deslocalización
Partículasenlazadas Cationes y aniones Átomos Cationes
Las diferencias estructurales entre las sustancias iónicas, covalentes y metálicas son importantes. En los compuestos iónicos, los aniones y cationes tienden a “empaquetarse” en el espacio para formar estructuras tridimensionales muy ordenadas llamadas cristales. Los enlaces iónicos no tienen una orientación específica en el espacio: cada ion se une con los iones de carga opuesta que lo rodean a través de la fuerza de atracción electrostática. Algo parecido ocurre con los cationes en un metal aunque en éste caso son los electrones deslocalizados los que le dan cohesión a la red cristalina.
Ya se trate de redes iónicas, metálicas o covalentes, todas presentan una característica común: la estructura tridimensional de la red sigue pautas geométricas características y repetitivas. Si el cristal crece sin interferencias externas, estas pautas pueden ser identificadas a simple vista. Existen siete tipos básicos de redes o sistemas cristalinos. Probablemente los cristales más simples sean los metálicos dado que los cationes que los forman son idénticos y tienden a empaquetarse en forma compacta. Esto les confiere su elevada densidad característica.
En el enlace químico sólo puede actuar la fuerza electromagnética. Cristal iónico
Cristal metálico
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UNIONES QUÍMICAS Por el contrario, el enlace covalente típico tiene carácter direccional : uno o más pares de electrones se comparten entre dos átomos particulares con una orientación espacial específica . Los átomos así unidos forman un tipo diferente de partículas: las moléculas . PUENTES DE HIDRÓGENO
UNIONES QUÍMICAS TABLA PERIÓDICA Y ENLACE
SVANTE ARRHENIUS
Es posible predecir -con bastante aproximación- el tipo de enlace que ocurrirá conociendo la ubicación de los elementos involucrados en la Tabla Periódica. Lo que caracteriza a un metal típico es la tendencia de sus átomos a perder electrones de valencia mientras que los átomos de un no metal típico tienden a ganarlos. Con esto, átomos metálicos y no metálicos adquieren una distribución electrónica más estable, similar a la del gas monoatómico más próximo en la Tabla Periódica de acuerdo con la regla del octeto .
I� ENLACE IÓNICO Sin perder su identidad, las moléculas pueden intractuar entre sí mediante fuerzas intermoleculares. El mundo no sería el mismo sin su existencia. El agua líquida -fundamental para la vida- en un amplio rango de temperaturas, es el resultado de un tipo particular de fuerza intermolecular: el puente de hidrógeno.
Molécula de etanol
Ocurre cuando un átomo de un elemento típicamente metálico (por ejemplo, Na) se une con uno típicamente no metálico (por ejemplo Cl).
La molécula es una unidad desde el punto de vista químico: las propiedades químicas de una sustancia están presentes en cada una de sus moléculas.
Su teoría de la ionización es fundamental en la interpretación de la estructura y propiedades de los electrólitos: sustancias que al disolverse en agua sufren un proceso de disociación en iones con carga opuesta.
OXIDACIÓN � REDUCCIÓN
REDES COVALENTES
Versátil y robusto, el carburo de silicio es representado por una fórmula muy simple: SiC. Sin embargo no existen moléculas de carburo de silicio y la fórmula sólo brinda información referida a la relación numérica entre átomos de silicio y carbono en la red covalente; esta relación puede apreciarse en la representación de la red de carburo de silicio que aparece en la figura.
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La formación de moléculas no es la única alternativa para las sustancias covalentes. Los átomos de ciertos elementos tienen la capacidad de unirse mediante enlaces covalentes, a varios átomos idénticos o con características similares. El resultado es la formación de largas cadenas unidimensionales, más o menos ramificadas –características de los polímeros orgánicos- o de extensas redes bi o tridimensionales. En este último caso se habla de redes covalentes. No es extraño que el carbono -elemento clave en la química orgánica- esté presente en las más
conocidas de estas redes: diamante y grafito. Tampoco lo es que dos de sus “vecinos” en el grupo IV A de la Tabla Periódica -silicio y germanio- participen también de redes covalentes. Algunas de estas redes son naturales, como los silicatos, otras artificiales, como el carburo de silicio (carborundo), empleado por su dureza, como abrasivo en el pulido de diamantes y como herramienta de corte de rocas y metales. Estas redes no están constituidas por moléculas y se caracterizan por ser sólidos de gran dureza y elevado punto de fusión.
• El átomo de sodio (Grupo IA) le transere un electrón al de cloro
(Grupo VIIA) • Al perder un electrón, el sodio adquiere una carga positiva: se convierte
en un catión sodio . El catión sodio tiene la misma cantidad de electrones que el gas monoatómico Ne (neón) con un octeto electrónico completo en el segundo nivel. Esto le confiere una gran estabilidad química.
Es común asociar el término oxidación al proceso de corrosión de los metales. Desde una perspectiva actual, la transferencia de electrones entre especies químicas es un proceso redox : en el ejemplo, cuando el átomo de sodio cede un electrón al de cloro, decimos que se oxida, mientras que el cloro -al aceptar ese electrón- se reduce . En realidad, el concepto de reacción redox es más amplio y abarca otras transformaciones químicas en las que no necesariamente se transfieren electrones. 87
5
UNIONES QUÍMICAS
MULLIKEN Y PAULING
• Al ganar un electrón, el cloro adquiere una carga negativa: se convierte
• No ocurre una transferencia de electrones dado que ambos átomos tie-
en un anión cloruro . El anión cloruro tiene una distribución electrónica similar a la del gas monoatómico Ar (argón) con un octeto electrónico completo en el tercer nivel.
• Al no existir transferencia de electrones los átomos de bromo se man-
• Entre los iones de carga opuesta, aparece una fuerza de atracción
electrostática. • Los iones de carga opuesta no suelen formar las unidades independien-
tes llamadas moléculas, sino que se unen a otros iones similares para formar una red tridimensional . Dos grandes teóricos que sistematizaron el estudio de la unión química. Sus enfoques, a veces contradictorios son no obstante, complementarios. A Linus Pauling (derecha) se le atribuye la escala de electronegatividad más usada así como la llamada “Teoría del enlace de valencia”. Robert Mulliken (izquierda) es el creador del “método de orbitales moleculares”.
UNIONES QUÍMICAS nen la misma tendencia a ganarlos. tienen eléctricamente neutros . • En este caso la unión se debe a la compartición de un pare de elec-
trones . Cada átomo de bromo posee 7 electrones de valencia. El par compartido se forma con los electrones desapareados que cada átomo aporta al enlace.
II� ENLACE COVALENTE Si bien el enlace covalente se caracteriza por la unión entre átomos mediante pares de electrones compartidos esta compartición no siempre es equitativa. Esto determina que el enlace covalente se subdivida en forma más o menos arbitraria en dos categorías: enlace covalente apolar y enlace covalente polar.
• A través del enlace, cada átomo de bromo adquiere un octeto electró-
nico similar al del gas monoatómico más cercano en laTabla Periódica: el kriptón, Kr. • La fuerza electromagnética de atracción vincula a los átomos de bromo
a través de los pares de electrones compartidos. a. Enlace covalente apolar
Generalmente ocurre cuando se unen átomos idénticos, pertenecientes al mismo elemento no metálico (por ejemplo, Br).
• Los átomos unidos por enlace covalente forman las partículas discretas
denominadas, moléculas . En este caso, las moléculas poseen las propiedades químicas características de la sustancia Br 2. b. Enlace covalente polar
NUBES DE AGUA
Ni el dinitrógeno (N2) ni el dioxígeno (O2) condensan en la atmósfera para formar nubes, como si lo hace el agua. Las moléculas apolares de N2 y O2 no generan fuerzas de atracción suficientementegrandes como para que estos gases existan en estado líquido a las temperaturas y presiones propias de la atmósfera terrestre.
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CARÁCTER METÁLICO Y ELECTRONEGATIVIDAD
Con frecuencia los pares de electrones compartidos no ocupan una posición equidistante con respecto a los átomos enlazados. Un ejemplo clásico es la unión de un átomo de cloro (Cl) con uno de hidrógeno (H) para formar el gas cloruro de hidrógeno (HCl).
La tendencia de los átomos de los elementos a ganar o perder electrones puede determinarseexperimentalmente. La electronegatividad es una propiedad periódica muy utilizada para cuantificar esa tendencia. No es fácil de definir en forma rigurosa por lo que sólo se dirá que sirve para predecir, en qué medida los átomos de un elemento atraen hacia sí a los electrones de los enlaces que forman. La figura muestra cómo tiende a crecer la elec tronegatividad a en la Tabla Periódica. Es evidente que los metales típicos presentarán valores bajos de electronegatividad mientras que los no metales típicos tendrán electronegatividad alta. La diferencia de electronegatividad puede servir de orientación a la hora de definir qué tipo de enlace ocurre entre los átomos de determinadoselementos.
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UNIONES QUÍMICAS • Como en el caso anterior se forma un enlace covalente en el que se
comparten dos electrones de valencia: uno aportado por el hidrógeno y otro aportado por el cloro. MOLÉCULAS POLARES
UNIONES QUÍMICAS III� ENLACE METÁLICO
• El hidrógeno adquiere una conguración electrónica similar a la del gas
monoatómico helio (He), mientras que el cloro adquiere el octeto que lo asemeja al argón (Ar).
MALEABLES Y HERMOSOS
• Pero en este caso, el átomo de cloro ejerce una fuerza de atracción
La presencia de enlaces covalentes polares determina una distribución asimétrica de los electrones de la molécula. En la figura se representa la densidad electrónica con colores que van del azul (baja) al rojo (alta). La zonas de baja densidad electrónica son positivas con repecto a las de alta densidad electrónica. La zona “más negativa” de la molécula de agua es atraída por la zona “más positiva” de la molécula de cloruro de hidrógeno dando lugar a una fuerza de atracción intermolecular.
mayor que el de hidrógeno sobre el par de electrones del enlace : el cloro tiene una electronegatividad más alta que el hidrógeno.
Máscara repujada en oro de origen precolombino.
• Si bien la molécula de HCl es eléctricamente neutra, la distribución de
carga en la misma no es simétrica: la zona próxima al átomo de cloro tiene una mayor densidad electrónica que la cercana al hidrógeno por lo que se forman un dipolo (dos polos) eléctrico, con una zona positiva y otra negativa.
Iónico y covalente apolar son tipos extremos de enlace químico. Pero el límite entre el enlace iónico y el covalente polar no resulta tan claro. ¿Qué grado de polaridad es “admisible” para que el enlace siga siendo considerado covalente? Cuando existan dudas se deberá recurrir al análisis de las propiedades de la sustancia en cuestión.
Los átomos de los elementos típicamente metálicos tienen una forma peculiar de enlace : • Dada su tendencia a ceder electrones, los átomos en la unión metálica
se encuentran ionizados positivamente como cationes. • Al igual que en los compuestos iónicos, los cationes metálicos se aso -
cian en redes tridimensionales.
La maleabilidad de los metales puede explicarse a escala atómica como una consecuencia del carácter no direccional del enlace metálico: el desplazamiento de un plano de cationes con respecto al otro no requiere de la ruptura de enlaces ni genera repulsiones electrostáticas capaces de provocar la fractura de la red cristalina. El repujado en metales es una de las manifestaciones artísticas más antiguas.
• En estas redes cristalinas, los cationes se disponen como esferas maci-
zas empaquetadas en forma compacta.
A EXPERIMENTAR Y PENSAR Cuando una regla de plástico es frotada con un trozo de tejido de lana se produce el fenómeno de electrificación por frotamiento. Se sabe que muchos electrones de la lana son transferidos al plástico de la regla. Como resultado, la regla queda momentáneamente con carga negativa, mientras que el tejido queda cargado positivamente. Si en ese estado se acerca la regla a un “hilo de agua” que mana de una canilla o recipiente (en la figura de la izquierda, un embudo de decantación), se observa que agua ya no fluye en caída libre sino que se desvía acercándose a la regla. Este sencillo experimento permite confirmar la polaridad de las moléculas de agua. ¿Hubiera sucedido lo mismo si el contenido del embudo fuera CCl4? ¿Cuál de las figuras de abajo representará mejor la orientación espacial de las moléculas de agua frente a la regla cargada negativamente?
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• Como ningún catión es capaz de aceptarlos en forma permanente, los
electrones perdidos por cada átomo no son transferidos ; pero tampoco abandonan la red. • Estos electrones se mueven a través de la red con tanta libertad que
recuerdan el comportamiento de las moléculas de un gas por lo que es común referirse a ellos con la expresión “gas electrónico ”. • La existencia de ese “gas electrónico” permite que los cationes perma -
nezcan unidos pese a la repulsión electrostática entre iones de la misma carga.
Ductilidad y buena conductividad eléctrica han convertido a los metales en los materiales idóneos para transferir energía y datos a grandes distancias. Los cables ejemplifican el feliz resultado del encuentro entre el ingenio humano y el conocimiento de las propiedades de los materiales presentes en su entorno.
Artículo decorativo en aluminio para habitación infantil.
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PROPIEDADES Y ENLACE
PROPIEDADES Y ENLACE
DOS PROPIEDADES REVELADORAS COBREADO DE UN ALAMBRE DE CINC
Las propiedades de todo material dependen en gran medida del tipo de enlace que presenta. La solubilidad y la conductividad eléctrica pueden aportar información valiosa a este respecto.
I) SOLUBILIDAD EN AGUA La solubilidad en agua suele utilizarse como criterio para la clasificación de las sustancias. Por un lado las sustancias iónicas y polares serían solubles, mientras que las apolares y metálicas no. Las sustancias apolares sólo serían solubles en solventes apolares y los metales, muy poco solubles en cualquier tipo de solventes. Como otras generalizaciones, la anterior no se cumple en todos los casos.
Apariencias engañosas y generalizaciones arriesgadas • Cuidado con los metales: algunos reaccionan con el agua, a veces –el so-
La solución acuosa de color azul -dentro del tubo en U- contiene cationes Cu2+ y aniones SO42- provenientes de la disolución de la sal, sulfato de cobre (II). La solución es conductora debido a la presencia de iones como portadores de carga. También son conductores los electrodos: el alambre de la izquierda es de Zn (metal) mientras que el de la derecha es un electrodo de carbono grafito (red covalente) extraído de una simple pila seca. Este sencillo montaje experimental ilustra cómo el conocimiento de las propiedades de diversos materiales permite diseñar dispositivos que cumplan una finalidad práctica. El propósito de la Química en todos los tiempos ha sido obtener sustancias con propiedades que sean de utilidad; el problema teórico de la Química ha sido investigar cuál es el origen de estas propiedades.
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dio, por ejemplo- en forma violenta. Esta reacción origina sustancias nuevas por lo que no se estaría probando la solubilidad de la muestra sino la de los productos de la reacción química entre ésta y el agua. • La presencia de enlaces covalentes polares es condición necesaria pero
no suficiente para que la sustancia sea polar. Por ejemplo: todos los enlaces carbono-cloro en el tetracloruro de carbono (CCl 4) son fuertemente polares; sin embargo, se trata de una sustancia no polar. Existen razones estructurales que explican estos hechos. • No toda sustancia iónica es soluble en agua y no se conocen regularidades
que permitan identificar las excepciones en forma sencilla. Por ejemplo: los cloruros metálicos suelen ser solubles pero el de plata (AgCl) no lo es; los sulfuros suelen ser insolubles, pero el de bario (BaS), es soluble.
Si la muestra resulta soluble en forma significativa surge la necesidad de determinar qué partículas del soluto están presentes en la solución: ¿iones o moléculas? El estudio de la conductividad eléctrica de estos sistemas puede resultar muy útil.
II) CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Para comprender la relación entre conductividad eléctrica y enlace es necesario conocer ciertos hechos. ¿Qué es lo que determina la capacidad de un material para conducir la corriente eléctrica?¿Por qué algunos son buenos conductores de la electricidad mientras que otros son tan malos, que reciben el nombre de aislantes, no conductores o dieléctricos?¿Qué son los semiconductores? El modelo partícula-vacío interpreta la corriente eléctrica como un flujo de par tículas con carga a través del material conductor.
GRAFITO Una partícula con movilidad suficiente como para transportar carga eléctrica a través de un material recibe el nombre de portador de carga . La conductividad eléctrica depende de la presencia de portadores de carga, así como del tipo y de la abundancia de éstos en el material.
Las características señaladas están estrechamente relacionadas con la naturaleza de los enlaces químicos presentes en el material.
METALES Los metales –y el grafito- son los únicos materiales que en estado sólido, son buenos conductores de la electricidad. La buena conductividad eléctrica que presentan es fácil de interpretar según el modelo q ue describe el enlace metálico: los electrones deslocalizados que se mueven libremente a través de la red de cationes son los portadores de carga. Por el contrario, las sustancias iónicas y covalentes son muy malos conductores cuando se encuentran en estado sólido.
COMPUESTOS IÓNICOS Los compuestos iónicos presentan las partículas cargadas denominadas iones. Pero para que los cationes y aniones se comporten como portadores de carga deben tener un movilidad inexistente en el estado sólido. La movilidad se adquiere cuando se rompe la red cristalina que mantiene a los iones en posiciones fijas. Éste puede ser el resultado de dos procesos: la fusión del sólido o su disolución en agua (u otro solvente apropiado). En ambos casos, los iones positivos y negativos adquieren la capacidad de desplazarse (migrar) hacia los electrodos de carga opuesta a la propia.
No por abundante y conocido deja de ser un material peculiar. Los átomos de carbono forman una extensa red cristalina de tipo covalente. Sin embargo sólo tres de los enlaces covalentes de los que participa cada átomo, pueden representarse como pares de electrones compartidos en posiciones fijas. Cada átomo de carbono aporta a la red un electrón deslocalizado: un portador de carga. El grafito, como los metales, es un conductor de primera especie. Esta propiedad, sumada a su relativa estabilidad química, abundancia y escaso precio lo hacen un material apropiado para la fabricación de electrodos. 93
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PROPIEDADES Y ENLACE
SEMICONDUCTORES
COMPUESTOS COVALENTES
HACIA UNA VISIÓN UNITARIA DEL ENLACE QUÍMICO
Los compuestos moleculares tienen en general temperaturas de fusión bajas. Sin embargo, ni en el estado líquido ni disueltos en solventes apropiados, presentan una buena conductividad eléctrica. En este caso, la movilidad no es suficiente ya que las partículas-moléculas- no tienen carga eléctrica y por lo tanto, independientemente de su movilidad, no son portadores de carga.
Se debe recordar que “enlace iónico”, “covalente”, etc., son sólo categorías creadas por la ciencia con el fin de simplificar el estudio de la naturaleza y agrupar aquellas sustancias que tienen determinadas propiedades parecidas. El universo material es infinitamente más rico y complejo que tales categorías y no debe extrañar que muchas sustancias “se resistan” a encajar en alguna de ellas. El arseniuro de galio por ejemplo, es un material semiconductor binario. Se utiliza en electrónica como componente de circuitos integrados, diodos de emisión luminosa (leds), fotocélulas, etc.
número considerable de electrones se encuentran deslocalizados en la red cristalina (como en los metales) aunque a diferencia de éstos, la conductividad eléctrica aumenta con la temperatura. Estas propiedades hacen que el arseniuro de galio sea difícil de clasificar.
Su red cristalina está formada por átomos de arsénico y galio unidos por enlaces covalentes. Según el criterio aceptado dichos enlaces están en el límite entre los covalentes apolares y polares. Por otra parte, un
Podría decirse que si los enlaces iónico, covalente y metálico ideales fueran colocados en los vértices de un triángulo equilátero, cualquier enlace real se encontraría en algún punto de la superficie del triángulo, más cerca de un tipo que de otro pero con alguna característica de los tres. Sin dejar de reconocer sus virtudes, esta clasificación –que incorpora generalizaciones del siglo XIX hoy obsoletas- comienza a resultar insuficiente en demasiadas situaciones.
Otra vez las generalizaciones resultan peligrosas: muchas moléculas polares se disocian en iones en un medio acuoso. Una prueba más de la complejidad del universo que la ciencia pretende sistematizar. La conductividad de las redes covalentes es generalmente baja aunque también existen excepciones de gran importancia tecnológica.
Estos materiales son las estrellas de la revolución tecnológica. Formalmente se trata de redes covalentes en las que la energía necesaria para extraer un electrón -del par compartido en uno de los enlaces- es relativamente baja. Cuando un electrón es extraído deja un “hueco” que puede ser ocupado por un electrón en tránsito. Se forma entonces un par de portadores de carga: un hueco y un electrón. El Si y el Ge puros tienen la misma cantidad de ambos portadores de carga. Agregándoles “impurezas” de otros elementos se puede hacer que predominen los electrones o los huecos.
PARA PROFUNDIZAR
De acuerdo a lo anterior se puede decir - como una buena aproximación- que si el material es conductor en estado sólido, se trata de un metal, mientras que si sus soluciones acuosas son conductoras, se trata generalmente de un compuesto iónico o en algunos casos, covalente polar.
Hay muchos casos similares y el número de la “excepciones a la regla” crece constantemente: no todos los compuestos iónicos son solubles en agua, existen moléculas formadas por iones y se han sintetizado plásticos covalentes que conducen muy bien la electricidad. Los mejores ejemplos de cada tipo de enlace no son en absoluto “puros”.
Probar la conductividad eléctrica del material fundido resulta más difícil: se requieren altas temperaturas para el cambio de estado y muchos materiales -termolábiles- sufren cambios químicos a temperaturas elevadas. Las sustancias líquidas a temperatura ambiente están -con pocas excepciones- integradas por moléculas.
ACTIVIDAD Para probar la conductividad eléctrica de una solución puede utilizarse un dispositivo como el de la figura. Se puede sustituir el led por una lamparita de filamento incandescente, aunqu e si la solución es débilmente conductora es probable que la lamparita no encienda. El interruptor es opcional pero permite evitar cortocircuitos involuntarios capaces de dañar al led o provocar el agotamiento prematuro de la fuente. Los electrodos químicamente inertes son de grafito y pueden obtenerse desarmando –con mucho cuidado- una pila seca ya agotada.
“Sencilla y cómoda, la distinción entre enlace iónico, covalente o metálico debe superarse. Formulada hace más de medio siglo, la teoría cuántica conduce a una visión unitaria del enlace químico”
Jacques Livage (1982)
La batería puede ser sustituida por otras fuentes portátiles de corriente continua pero NUNCA UTILIZAR CORRIENTE ALTERNA DE LA TOMA DOMICILIARIA.
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PARA PROFUNDIZAR
ACTIVIDADES
UNA MIRADA ESTRUCTURAL Una molécula de agua está formada por 3 átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno . Es la información referida a la composición del agua y expresada por su fórmula molecular, H 2O. Por otra parte, el átomo de oxígeno se une mediante dos enlaces a los átomos de hidrógeno dando lugar a la molécula que puede representarse de la siguiente manera:
Pero existe otra posibilidad para representar la unión química entre estos tres átomos:
Es cierto: nunca se ha visto una molécula de agua; pero el modelo angular representado en la primera figura es mucho más coherente con las propiedades de la sustancia agua que el modelo lineal representado en la segunda figura. Sucede que el enlace oxígeno-hidrógeno -covalente polar como se ha visto- puede asociarse a una magnitud vectorial: el “momento dipolar”, representado por la letra griega µ. Si la molécula de agua fuera lineal los vectores µ, con la misma dirección pero sentidos opuestos, se anularían. El resultado: una molécula de agua apolar y una sustancia agua, con propiedades muy diferentes a las que se conocen. Por ejemplo, es seguro que no existiría como líquido a temperatura ambiente. Es fundamental señalar que la coherencia de las predicciones requiere siempre de la contrastación experimental. Una construcción teórica elegante puede ser absolutamente equivocada. Abandonarla puede resultar doloroso pero como diría Carl Sagan, la disposición a hacerlo “es el alma de la ciencia”. La composición del agua es conocida desde fines del siglo XVIII, la naturaleza de la unión entre los átomos de hidrógeno y el de oxígeno ya fue esbozada a mediados del siglo XIX. La geometría angular de sus moléculas quedó confirmada experimentalmente en el siglo XX. Un largo camino condujo a proponer para el invisible nivel molecular una descripción muy coherente con la evidencia experimental.
Se sabe que esta última representación es incorrecta ¿Cómo? ¿Alguien vio alguna vez una molécula de agua?
1. Dados
. los elementos o xígeno y calcio
an dos moléculas perte s. ferente stos di mpue tes a co necien
3. En la imagen se represent
nes y electrones que o. posee un átomo de cada element se ubican esas partíb. ¿En qué zonas del átomo culas? os de ambos elementos c. Indicar para los átom el de energía; la distribución de electrones por niv encia presenta de val nes electro s cuánto r señala cada uno. de cada elemento med. Representar un átomo diante diagramas de Lewis. el enlace formado entre e. E xplicar y representar átomos de estos elementos. á el compuesto resul f. ¿Qué propiedades tendr tante?
a. Indicar el número de proto
a. E xplicar y representar
e causa gra ves quema2. El diflúor (F2 ) es un gas qu duras en la piel. a. ¿Cómo se representa
la molécula de di flúor
? mediante el diagrama de Lewis nes comparten los b. ¿Cuántos pares de electro la molécula? átomos de di flúor que integran olaridad del enlace c. ¿Qué se puede decir de la p la polaridad de la entre átomos de flúor? ¿ y de molécula de diflúor?
el enlace presente en cada
molécula. ¿son polares o apolab. Los enlaces en cada caso, res? an como dipolos? c. ¿ Y las moléculas? ¿actú presentará f uerzas d. ¿Cuál de los compuestos intermoleculares más intensas? le en agua? e. ¿Cuál será más solub
En un sentido estricto nadie vio ni verá jamás una molécula de agua. Sin embargo, el agua como sustancia ha sido estudiada minuciosamente y sus propiedades determinadas con gran precisión; no las de una molécula aislada sino las de muchísimas moléculas juntas (una gota de lluvia contiene unos 1700 trillones de moléculas de agua). El comportamiento de una muestra de agua difiere del de sus moléculas individuales así como las propiedades de las moléculas individuales difieren de las de los átomos que las constituyen. Del mismo modo que existe una relación entre las propiedades de los átomos y las moléculas que forman debe existir una relación entre las propiedades de una sustancia y las características de las moléculas que integran una muestra de esa sustancia.
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La búsqueda de la relación entre las propiedades de las sustancias, su composición, el tipo de enlace que presentan y cómo se orientan éstos en el espacio, le ha dado al modelo “partícula-vacío” un gran poder predictivo y explicativo. Este tipo de enfoque que dio origen a la química estructural en la segunda mitad del siglo XIX es responsable en gran medida, del fabuloso desarrollo que experimentó la Química en los últimos cien años.
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ACTIVIDADES
ACTIVIDADES
A PENSAR 1 a. El agua es un com
puesto molecular ; las moléculas no tienen car ga eléctr ica neta. ¿Por qué entonces es peligro so manipular ar tefactos eléctr icos con las manos mo jadas? b. En una tor menta eléctrica queda pr obad o que el air e –una mezcla de gases- pue de llegar a conducir la el ectricidad. ¿Qué par tículas actúan como por tador es de car ga en el ray o? c. Los mater iales sólid os que conducen la co r r i ente eléctr ica son opacos ( pensar en el gra fito y en el diamante, conductor y aislante, respectiv amente) ¿ Por qué ser á?
PARA PROFUNDIZAR
A PENSAR 2
o recipien tes un químico encuen tra cinc tes menien un labora torio abandonado, ecip de s los r ncia te de sus ta en las iam nar -ob v idas Al orde de cobre (II ) cinco e tique tas desprend tra uro en clor encu osa, bién gluc io, r. Tam sod sin ro tula ancias: me tanol, yoduro de sus t las a fican ti iden que cionados y dió xido de silicio. . Realiza una serie tes con un le tra: A, B, C y D uno de los cua tro recipien cada a fica ti iden s: ímico tale imen El qu ien te cuadro de da tos e xper de ensa yos y elabora el sigu Solubilidad en agua
Conduc ti vidad eléc trica de la solución
Color
Recipien te
Es tado de agregación del con tenido
Si
blanco
sólido
Si
A
Si
incoloro
líquido
No
B
No
blanco
sólido
No
C
Si
blanco
sólido
No
D
Si
Verde
sólido
Si
E
l ver a Sólo fal ta comple tarlo y vo
a. ¿A qué elemento químico corresponde la distribu-
ción electrónica representada en la figura “a”?
100
Sus tancia
an te! ro tular los recipien tes ... ¡adel
b. Completar la distribución electrónica para un áto-
mo del elemento azufre representado en la figura “b”.
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LAS SOLUCIONES Y LA SOLUBILIDAD
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LAS SOLUCIONES INTRODUCCIÓN
LAS SOLUCIONES Las sales disueltas no sedimentan, aunque la mezcla se someta a centrífugación a altas velocidades porque forman una sola fase. Son mezclas homogéneas, son soluciones .
SOLUCIONES
Entre las suspensiones y las soluciones se encuentran los coloides . Suspensiones y coloides son mezclas heterogéneas, mientras que las soluciones son homogéneas como ya se vio.
El aire, el agua potable y algunos fluidos del cuerpo humano, son soluciones.
Soluciones, suspensiones y coloides están presentes en la vida cotidiana. Mucho de lo que se come, se bebe o los procesos que ocurren en los organismos, se relacionan con este tipo de mezclas.
La leche es una mezcla heterogénea (suspensión). Río Santa Lucía Chico. El “agua de río” es una mezcla heterogénea muy compleja.
El “agua de mar” es otro ejemplo de mezcla heterogénea.
En la naturaleza, rara vez se encuentran sustancias puras, en la mayoría de los casos las sustancias se hallan formando parte de mezclas. Conocer estas mezclas ayuda a comprender y conocer mejor la naturaleza. Si se compara el agua de un tajamar con fondo de tierra, con el agua del río Santa Lucía, cuyo fondo es en su mayoría arena, éstas se verán “más limpias” que las del tajamar. Si se colocan dos muestras de dichos sistemas en dos vasos de bohemia y se dejan reposar se observa que en ambos casos se depositan sólidos en el fondo. Las dos son mezclas heterogéneas por lo tanto se pueden separar por métodos de separación de fases , como por ejemplo la filtración.
Tajamar, embalse de agua con fondo barroso.
Queso: coloide fabricado a partir de la leche.
SOLUCIONES Las soluciones son mezclas homogéneas formadas por más de una sustancia , por lo que se fraccionan por métodos ya estudiados (destilación, cromatografía, etc.).
Gelatina: sistema coloidal.
El aire es una solución gaseosa, el agua que se bebe es una solución líquida que presenta distintas sales disueltas. El agua potable es una solución constituida de agua y sales en pequeñas cantidades, que la hacen apropiada para el consumo humano.
Suspensiones: Agua de un fondo arenoso y agua de un fondo de tierra.
Método de fraccionamiento de soluciones: cromatografía. Unidad Potabilizadora de Agua (UPA). Invensión uruguaya.
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LAS SOLUCIONES En la industria y en el laboratorio, las soluciones están presentes en la mayoría de las reacciones químicas.
Las soluciones, también llamadas disoluciones, son mezclas homogéneas que se fraccionan por estar formadas por varias sustancias (dos o más). Las sustancias se encuentran en proporciones variables.
Soluciones habitualmente utilizadas en el laboratorio.
Una de las sustancias que forma una solución es el disolvente o solvente y la o las otras son los solutos . El disolvente, o solvente , es el que confiere el estado físico a la solución, es decir, si es líquido la solución es líquida, si es sólido la solución se presentará en estado sólido y si es gaseoso la solución se presentará gaseosa. Si ambos (disolvente y soluto), están en el mismo estado físico, el disolvente es el que está en mayor proporción. El disovente más común es el agua, dichas soluciones se llaman acuosas .
LAS SOLUCIONES TIPOS DE SOLUCIONES
Solución Sólida
Líquida
Disolvente Sólido
Líquido
Soluto Sólido
Ejemplo Bronce: aleación de cobre y estaño.
Líquido Gas
Amalgama: aleación de mercurio (líquido a temperatura ambiente) y plata (sólida). Dihidrógeno en metales.
Sólido
Salmuera: sal en agua.
Líquido
“Alcohol rectificado” o tambié n llamado “alcohol blanco”: etanol y agua. Agua gasificada: dióxido de carbono en agua, responsable de la efervescencia. Aire: dioxígeno y otros gases en dinitrógeno.
Gas Gas
Gas
Gas
El soluto , es la sustancia que se disuelve en el disolvente o solvente. El vinagre, es un ejemplo de solución acuosa que se utiliza en las ensaladas, el ácido acético es el soluto y el agua el disolvente. El oro 18 kilates , es una aleación formada por oro y cobre principalmente.
En la solución de ”hipoclorito de sodio”, el soluto es la sal llamada “hipoclorito de sodio” y el disolvente es el agua. Esta solución es de uso habitual en la desinfección del hogar.
CONCENTRACIÓN DE LAS SOLUCIONES Las propiedades de una solución varían dependiendo de la naturaleza y las cantidades de soluto y disolvente presentes en la misma.
Una forma de clasificar las soluciones es tener en cuenta la relación entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolvente, es en:
• Diluídas : cuando la cantidad de soluto es muy pequeña comparada
Alcoholrectificado común en el botiquín de primeros auxilios, es una solución.
con la del disolvente. • Concentradas : cuando la cantidad de soluto es considerable en com-
paración con la cantidad de disolvente. Las soluciones comerciales de “hipoclorito de sodio” contienen esta sal disuelta en agua.
ACTIVIDADES 1. Representar mediante el modelo partícula-vacío cómo está formada una solución. 2. Averiguar la diferencia entre “disolver” y “ diluir”. Buscar ejemplos.
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Esta forma de clasificarlas no es muy conveniente ya que no todas las sustancias se disuelven en la misma proporción en cierta cantidad de disolvente a una temperatura dada. Por ejemplo a 25ºC, en 100mL de agua se disuelven 0,000246g de sulfato de bario y también se pueden disolver -en dichas condiciones- 50g de otra sal. La solución de sulfato de bario en esas condiciones es concentrada, a pesar de tener muy poca cantidad de soluto, porque en ella no se disuelve más de esta sal. Para indicar la cantidad de soluto en relación al disolvente o a la solución, hay varias formas de expresar la concentración de la solución.
El vino es una solución, se fracciona por destilación, aumentando la concentración de etanol para la obtención de bebidas destiladas como el cognac y el brandy. 107
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LAS SOLUCIONES Decir que el “vinagre”es una solución acuosa al 5% (V/V) de ácido acético, significa que cada 100 mL de “vinagre” hay disueltos 5 mL de ácido acético.
CONCENTRACIÓN
Concentración de una solución, indica la relación cuantitativa entre los componentes de una solución.
ANALIZANDO ETIQUETAS Las etiquetas de agua mineral o agua mineralizada exhiben las concentraciones de los diferentes solutos que contienen.
El vinagre que se utiliza en las ensaladas es una solución acuosa de ácido acético. En los laboratorios se puede emplear una solución 32 % en masa de ácido sulfúrico(32% m/m). Significa que contiene 32g de ácido sulfúrico por cada 100g de solución. También se acostumbra la expresión, %m/v, indica la masa de soluto expresada en g por cada 100mL de solución .
Se comercializan aguas con y sin gas, además de estar indicado en la etiqueta para ayudar a identificarlas se usan tapas de distinto color.
LAS SOLUCIONES
La unidad utilizada en éstas es mg/L, indica la masa de soluto, expresada en mg en un volumen de 1L de solución. Así por ejemplo, el agua ubicada en el primer lugar indica 9,5 mg/L de Magnesio, lo que significa que contiene 9,5 mg de Mg en 1 L de solución , es decir de agua mineral.
Otra forma muy común de expresar la concentración es el g/L, indica la masa de soluto expresada en gramos por litro de solución. Por ejemplo una solución de cloruro de sodio está etiquetada indicando 40g/L, significa que contiene 40g de cloruro de sodio en 1L de solución. Más adelante se utilizarán otras formas de expresar la concentración. Algunas unidades en que se puede expresar la concentración de una solución se pueden observar en las etiquetas de bebidas o alimentos. En el Uruguay se comercializan varias marcas de agua mineral o mineralizada. La diferencia radica en que en el caso de las llamadas mineralizadas, se ha agregado ciertas sales minerales en concentraciones permitidas y las llamadas minerales son de origen natural. Ambas pueden comercializarse con o sin gas.
ACTIVIDADES 1. ¿Los tres tipos de agua tienen igual concentración de magnesio?
Parque Salus cerca de Minas, fuente natural de agua mineral.
2. a. ¿Cuál de los tres tipos de agua contiene menos sodio Na?
3. a. ¿Qué otra información se observa en las etiquetas? b. ¿Qué detalles llaman la atención en alguna de ellas?
4. A nivel comercial no se es riguroso en el lenguaje químico, en las tres etiquetas se observan varios ejemplos de esto.
Identificar los mismos.
b. Averiguar por qué es importante conocer esta información.
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LAS SOLUCIONES Y LA SOLUBILIDAD SOLUBILIDAD
SOLUBILIDAD Y TEMPERATURA
Muchos procesos realizados cotidianamente en diversas profesiones, se relacionan con la solubilidad, desde la limpieza de la grasa de las manos de un mecánico hasta la remoción del esmalte de uñas por parte de una manicurista. La cuestión, es saber qué solvente es el indicado, es decir, en qué sustancia se disolverá mejor lo que se quiere remover. Se dice que el soluto es soluble en determinado solvente. Pero, ¿cuán soluble es un soluto en determinado solvente? Para averiguar el “límite” de solubilidad de un soluto en un solvente determinado es necesario medir la solubilidad:
La cantidad de sal y azúcar que satura a 100mL de agua a temperatura ambiente no es la misma.
LAS SOLUCIONES Y LA SOLUBILIDAD
La solubulidad indica la máxima cantidad de soluto que se disuelve en 100mL (100cm3) de un determinado disolvente a una temperaturadeterminada. Una solución que contiene la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en el disolvente a una temperatura determinada, está saturada .
La solubilidad es una propiedad característica para un soluto en un solvente y a una temperatura determinada. Solubilidad (g/100mL agua)
140 120 100 80
ACTIVIDAD Construir el gráfico que muestre la variación de la solubilidad de las tres sales en función de la temperatura, a partir de los datos de la tabla de solubilidad.
TABLA DE SOLUBILIDAD 0º C
20º C
40º C
60º C
80º C
Cloruro de potasio
28
34
40
45
51
Sulfato de cobre (II)
14
21
29
40
55
Nitrato de potasio
13
32
64
110
169
De acuerdo a los valores de solubilidad de las tres sales que se indican en el cuadro anterior, se observa que cada una de ellas tiene valores propios, característicos de solubilidad, teniendo en cuenta la temperatura. A 20º C, la solubilidad del cloruro de potasio es 34 g/ 100 mL de agua; la del sulfato de cobre (II), es 21 g/100mL de agua, y la del nitrato de potasio es 32 g/100 mL de agua.
NaCl
0
20
40
60
80
100 T (ºC)
Sulfato de sodio : es una sal utilizada como desecante. Su solubilidad en agua aumenta hasta los 30ºC aproximadamente. Pero por encima de esa temperatura su solubilidad comienza a disminuir, siendo una de la excepciones a la regla general.
Observando los gráficos de solubilidad, se puede observar que cada sustancia tiene solubilidad distinta y se comportan de modo diferente con la temperatura. Todas salvo el cloruro de sodio (NaCl), son afectadas sensiblemente por el aumento de la temperatura. En 100 mL de agua a 80ºC, se disuelven como máximo aproximadamente 150 g de nitrato de sodio (NaNO3). O sea, se necesitan 150 g de dicha sal para saturar dicha solución. Si sólo se tienen 100g de nitrato de sodio (NaNO3), la solución no se satura, es insaturada, le faltan aproximadamnete 50g de sal para saturarse.
2. a. ¿Cuántos gramos de cada sal se disuelven como máximo a 40ºC?
a. ¿Los valores de solubilidad son iguales o diferentes? ¿Por qué?
b. Si la temperatura disminuye a 20ºC, ¿cuántos gramos de cloruro de potasio quedarán en exceso?
b. ¿La solubilidad de dichas sales es afectada por la temperatura?
c. Si la temperatura se eleva a 80ºC, ¿cuántos gramos más son necesarios de cloruro de potasio?
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40
La solubilidad en agua de la mayoría de los sólidos, aumenta al incrementar la temperatura.
ACTIVIDADES 1. Al observar los datos obtenidos para tres sales distintas, cloruro de potasio, sulfato de cobre y nitrato de potasio a 20ºC:
KCl
20
(Gramos de soluto / 100 mL de agua)
El té caliente disuelve más cantidad de azúcar que helado.
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ACTIVIDADES 1. A 80 ºC la solubilidad del cloruro de potasio es aproximadamente 50g/100mL, ¿qué ocurre si dicha solución se enfría a 20ºC?
2. Se coloca sal de mesa (NaCl) al agua para cocinar fideos. Si se calienta, ¿varía mucho la cantidad de sal que se disuelve en el agua? Justificar.
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ÓXIDOS, HIDRÓXIDOS Y ÁCIDOS
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ÓXIDOS ÓXIDOS Los óxidos son compuestos binarios , es decir formados por 2 elementos: oxígeno y otro elemento que puede ser un metal o un no metal . A temperatura ambiente, la mayoría de los óxidos no metálicos son gaseosos y los óxidos metálicos son sólidos. El SiO2 es un óxido muy abundante en la corteza terrestre. El cuarzo es un mineral transparente formado por SiO2. Existen variedades de este mineral, como el cuarzo ahumado, el cuarzo rosa y la amatista, entre otras. La variedad de colores se debe a la presencia de impurezas.
Los óxidos constituyen un grupo de compuestos muy importantes, tanto por su presencia y abundancia en la naturaleza como por sus variados usos (pigmentos, vidrios, cal, piedras preciosas y semipreciosas, etc.). Muchos de ellos, como los óxidos de azufre, de nitrógeno y de carbono, son conocidos por sus efectos perjudiciales sobre el ambiente y la salud.
ÓXIDOS Como resultado de la actividadhumana , toneladas de óxidos de carbono, de azufre y de nitrógeno son vertidos diariamente a la atmósfera. También hay fuentes naturales de estos óxidos como los incendios forestales y los volcanes que, cuando están en erupción, vierten a la atmósfera grandes cantidades de gases, entre ellos óxidos de nitrógeno y de azufre. En la tropósfera tienen lugar una serie de reacciones químicas que transforman el dióxido de azufre (SO 2) en ácido sulfúrico y los óxidos de nitrógeno (NO y NO2) en ácido nítrico, ambos ácidos causantes de la lluvia ácida . Por otra parte, el dióxido de carbono (CO2), uno de los gases que el hombre vierte a la atmósfera en mayor cantidad, es una de las sustancias, aunque no la única, responsable del calentamiento global .
EL DIÓXIDO DE CARBONO Y EL CALENTAMIENTO GLOBAL El ritmo creciente en el consumo de combustibles fósiles, cuya combustión produce CO2 entre otros gases, conjuntamente con la deforestación que actualmente padece nuestro planeta, son las principales causas del aumento en los niveles de CO2 en la atmósfera.
Modelo de la molécula de SO2. El SO2 es un gas irritante y tóxico que afecta las vías respiratorias causando accesos de tos. La exposición a altos niveles de este gas puede provocar bronquitis y asma.
La relación entre deforestación y CO2 obedece a 2 factores. En primer lugar, como los vegetales consumen dióxido de carbono durante la fotosíntesis, con la destrucción de bosques y selvas disminuye la capacidad de absorción del mismo. Por otra parte, la quema de biomasa posterior a la tala de árboles o bien su lenta descomposición, son procesos en los que se origina CO2. Una propiedad que presentan las moléculas de CO 2 es la de absorber radiación infrarroja . Esto se debe a que las frecuencias de vibración de los enlaces C – O en la moléculas, son del orden de las longitudes de onda de la radiación infrarroja. Por esta razón el CO 2 presente en la atmósfera absorbe la radiación infrarroja reflejada por la superficie terrestre y la reemite luego en todas las direcciones, enviando parte de la misma de nuevo a la superficie terrestre. Este fenómeno se conoce como efecto invernadero. El aumento excesivo de dióxido de carbono producido por la actividad humana, provoca un aumento en la temperatura de la biosfera conocido como calentamiento global .
Modelo de la molécula de CO2.
Es importante destacar que la capacidad de absorber radiación infrarroja no es exclusiva del CO2, también el ozono (O3), el vapor de agua (H 2O), el monóxido de dinitrógeno (N2O) y el metano (CH4) son gases de efecto invernadero.
El aumento del deshielo es consecuencia del incremento de la temperatura global.
ACTIVIDAD Sabiendo que a cada letra le se le asigna un símbolo diferente se puede descubrir una frase de Carl Sagan. Como ayuda el símbolo representa la E, el la letra A, el la letra L y el la letra O.
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ÓXIDOS FORMULACIÓN DE ÓXIDOS Formular : deducir la fórmula de un compuesto de acuerdo a determinadas reglas.
Una fórmula química es una expresión simbólica que indica la proporción relativa de los átomos (o iones) de los diferentes elementos que forman la sustancia.
ÓXIDOS �CÓMO SE DEDUCE LA FÓRMULA DE UN ÓXIDO? Ejemplo 1: K+1
O-2
K+1
K2O
Una manera de deducir la fórmula de un compuesto es utilizando el número de oxidación de los átomos .
NÚMERO DE OXIDACIÓN El número de oxidación puede definirse operacionalmente, como la carga real o aparente que se le asigna a los átomos de los elementos de acuerdo a ciertas reglas.
Como se observa en el ejemplo, se deben combinar 2 átomos de potasio (K) con un átomo de Oxígeno (O) para que la suma de los números de oxidación sea cero.
El CaO es conocido con el nombre de cal viva .
Al escribir la fórmula se debe colocar primero el símbolo del elemento menos electronegativo. En todos los óxidos el oxígeno es el elemento más electronegativo por lo tanto en la fórmula de los óxidos, el símbolo del oxígeno se escribe en segundo lugar.
El número de oxidación se escribe en la parte superior derecha del símbolo del elemento. Por ejemplo: O-2 Ejemplo 2: NÚMERO DE OXIDACIÓN:
Se define como la carga que tendría un átomo si los electrones del enlace se atribuyeran al elemento más electronegativo.
REGLAS PARA ASIGNAR LOS NÚMEROS DE OXIDACIÓN • El número de oxidación de los átomos en las sustancias simples vale
cero. Ejemplo: en el dinitrógeno N2 , el número de oxidación del elemento nitrógeno vale cero. Se representa N0. • El número de oxidación de un ion monoatómico coincide con la
NOS DE OXIDACIÓN DEL C
El elemento C presenta dos números de oxidación: C+2 C+4
carga del ion. Ejemplo: el número de oxidación del ion Al3+ es +3 y se representa Al +3 . Es importante destacar que, cuando se representa el número de zoxidación, el orden en el que se escribe el signo y el número es a la inversa de como se representa la carga del ion.
+2 -2
CO 2 + (-2) = 0 • Dióxido de carbono +4 -2
C O2 2 + (-2) 2 = 0
120
O-2 CaO
Zafiro. Ejemplo 3: Al+3
O-2
Al+3
O-2 O-2
Al2O3
Los 3 óxidos formulados anteriormente están formados por un metal y oxígeno, es decir son ejemplos de óxidos metálicos .
• El número de oxidación del elemento hidrógeno en la mayoría de sus
compuestos es +1: H+1. • El número de oxidación del elemento oxígeno en la mayoría de sus
• Monóxido de carbono
Ca+2
compuestos es -2: O-2. • La suma algebraica de los números de oxidación de todos los áto-
mos que integran la fórmula de una sustancia vale cero. Ejemplo: H2O La suma del número de oxidación del hidrógeno (+1) multiplicado por 2, más el número de oxidación del oxígeno (-2) da cero: ( +1 x 2) -2=0.
Los óxidos no metálicos formados por un no metal y oxígeno se formulan del mismo modo. En general, los elementos no metálicos como el nitrógeno, el azufre y el cloro entre otros, presentan varios números de oxidación lo que da lugar a la existencia de varios óxidos diferentes.
Rubí. El Al2O3 se encuentra en la naturaleza formando minerales como la bauxita y el corindón. El corindón es el mineral más duro después del diamante. Se presenta en la naturaleza en una gran variedad de colores dependiendo de las impurezas que contenga. El zafiro y el rubí son dos variedades de corindón consideradas piedras preciosas.
121
7
ÓXIDOS El nitrógeno forma óxidos con números de oxidación +1,+2,+3,+4 y +5. Algunos de estos óxidos son:
ÓXIDOS NOMENCLATURA DE ÓXIDOS El término Nomenclatura se refiere al conjunto de reglas que se utilizan para nombrar las sustancias.
Ejemplo 4: N+1
O-2
N+1
El N2O es un gas incoloro ligeramentetóxico. Se lo utiliza en automóviles para aumentar la potencia del motor. El N2O se descompone a la temperatura del motor originando N2 y O2. El aumento en la cantidad de O 2 hace que se queme mayor cantidad de combustible, lo que se traduce en un aumento de la potencia del motor.
Los nombres de las sustancias deben permitir identificar a las mismas del modo más claro posible, evitando cualquier tipo de ambiguedad. N2O
En el caso de los óxidos, se utilizan en la actualidad principlamente dos formas de nombrarlos:
Ejemplo 5: N+3
O-2
N+3
O-2
Para los compuestos inorgánicos existen 3 sistemas de nomenclatura ; dependiendo del tipo de compuesto( óxidos, ácidos, etc.) puede resultar más conveniente un sistema que otro.
• Nomenclatura de Stock
N2O3
• Nomenclatura sistemática o I.U.P.A.C
Ejemplo 6: N+5
O-2
N+5
O-2 -2
NOMENCLATURA DE STOCK
PINTURAS RUPESTRES
En la nomenclatura propuesta por Alfred Stock, los óxidos se nombran óxido de ... seguido del nombre del elemento y entre paréntesis con números romanos y sin signo se indica el número de oxidación correspondiente al elemento .
Las pinturas rupestres son manifestaciones artísticas prehistóricas existentes en rocas y cavernas. Uno de los pigmentos empleados en las mismas fue el Fe2O3 el cual, en su estado natural es conocido como hematita . Su color puede variar desde el pardo, hasta el rojo brillante.
Ejemplos N2O5
Fórmula del óxido
Nombre Stock
N2O
Óxido de nitrógeno (I)
O-2 O-2
En los motores a explosión se produce una impor tante formación de óxidos de nitrógeno debido a que, la elevada temperatura favorece la reacción entre el O 2 y el N 2 del aire originando NO. Este óxido reacciona rápidamente con el O 2 formando NO2. Cantidades importantes de estos óxidos son liberados a la atmósfera desde el escape de vehículos.
a. Deducir los números de oxidación de cada elemento en las sustancias mencionadas. b. Plantear las ecuaciones químicas que representan las dos reacciones que se mencionan en el texto.
NO
Óxido de nitrógeno (II)
N2O3
Óxido de nitrógeno (III)
NO2
Óxido de nitrógeno (IV)
N2O5
Óxido de nitrógeno (V)
La nomenclatura de Stock se utiliza tanto para óxidos no metálicos como para óxidos metálicos. Fórmula del óxido
Nombre Stock
FeO
Óxido de hierro (II)
Fe2O3
Óxido de hierro (III)
ACTIVIDAD A partir de la lectura del siguiente texto, realizar las tareas que aparecen al final.
122
Siglas que en inglés significan: International Union of Pure and Applied Chemistry.
O-2
O
El N2O tiene propiedades anestésicas. Se lo usa como anestésico general en intervenciones quirúrgicas La única vía de administración del N2O es pulmonar. Se inhala una mezcla de 65% de O2 y 35 % de N 2O.
I.U.P.A.C.
En el caso de que, como sucede con muchos metales, el elemento tenga un único número de oxidación, este se puede omitir por innecesario ya que existe sólo un óxido de dicho elemento.
Cueva de Altamira (España). Pintura rupestre del Paleolítico Superior. Data de aprox. 15000 años a.C
Ejemplos: Fórmul a del óxido
Nombre Stock
Na2O
Óxido de sodio (I)
Nombre preferido
Óxido de sodio
CaO
Óxido de calcio (II)
Óxido de calcio 123
7
ÓXIDOS NOMENCLATURA SISTEMÁTICA La nomenclatura sistemática, también conocida como nomenclatura I.U.P.A.C utiliza prefijos griegos para indicar el número de átomos de cada elemento que integran la fórmula del compuesto.
COMPUESTOS DE OXÍGENO Y FLÚOR
Los compuestos de oxígeno(O) con flúor (F) no pertenecen al grupo de óxidos. Son fluoruros.
Los nombres se forman con la palabra óxido acompañada de un prefijo (mono,di,tri,etc.) que indica el número de átomos de oxígeno en la fórmula. Le sigue la preposicion de y el nombre del otro elemento , también acompañado de su correspondiente prefijo.
ÁCIDOS Y BASES COMPORTAMIENTO ÁCIDO�BÁSICO DE LAS SUSTANCIAS Las sustancias pueden poseer, al entrar en contacto con el agua, carácter ácido, neutro o básico .
ÁCIDOS
REACTIVOS INDICADORES
Según el color que toman, indican el carácter ácido o básico del medio.
BASES
En el caso de los óxidos los prefijos utilizados son los siguientes:
Por ejemplo el OF2 , en el cual el número de oxidaciòn del oxìgeno es +2. Se puede observar que en la fórmula se escribe en primer lugar el oxígeno ya que es menos electronegativo que el flúor.
Número de átomos
Prefijo
1
mono
2
di
3
tri
4
tetra
5
penta
• Colorean de rojo el papel tornasol.
• Colorean de azul el papel tornasol.
6
hexa
• Tienen sabor agrio en general.
• Tienen sabor amargo en general.
7
hepta
• Reaccionan con algunos metales
• Son resbaladizas al tacto.
(como por ejemplo el Al) desprendiendohidrógeno.
Ejemplos: Fórmula del óxido
Nombre sistemático Dióxido de azufre
SO2 SO3
Trióxido de azufre
FeO
Monó xido de hierro
Fe2O3
Trióxido de dihierro
Es importante destacar que en lugar de monoóxido se emplea la contracción monóxido .
• Conducen la corriente en solu -
ción acuosa.
El papel tornasol , es un reactivo indicador que indica medio básico si queda de color azul y medio ácido si queda de color rojo.
• Conducen la corriente eléctrica
en solución acuosa. • Generalmente son corrosivos.
• Generalmente son corrosivos.
Los reactivos indicadores son sustancias que cambian de color según el carácter ácido o básico del medio. El papel tornasol es muy utilizado pero también se pueden usar reactivos indicadores caseros como el curry en solución acuosa.
Una solución acuosa de curry (colorante alimenticio), sirve para indicar el carácter del medio. Se observan diferentes tonos de amarillo cuando el medio es ácido, ocre cuando es neutro, y un café rojizo en medio básico.
ACTIVIDAD NEUTRALIZACIÓN
Encontrar las parejas correspondientes. • Heptaóxido de dicloro • Dióxido de manganeso • Pentaóxido de difósforo • Trióxido de cromo • Trióxido de dibromo • Dióxido de silicio • Monóxido de dicobre
124
Mn2O7
ClO2 P2O5
B2O3 Cl2O7
Cu2O
Cr2O3 MnO2
SiO2 CrO3
Na2O Br2O3
Los ácidos y las bases reaccionan entre sí, reacción que recibe el nombre de neutralización. El uso de antiácidos estomacales se basa en esta reacción. Los antiácidos son en general, una mezcla de hidróxido de aluminio Al(OH) 3 y hidróxido de magnesio Mg(OH)2, sustancias que se comportan como bases. Estos hidróxidos reaccionan con el ácido clorhídrico HCl, sustancia presente en el jugo gástrico, y así disminuyen la acidez estomacal.
125
7
HIDRÓXIDOS HIDRÓXIDOS
OXOÁCIDOS E HIDRÁCIDOS
Un hidróxido muy conocido es el hidróxido de sodio o soda cáustica, cuya fórmula es NaOH. A temperatura ambiente, es un sólido blanco cristalino sin olor que absorbe humedad del aire (higroscópico). Cuando se disuelve en agua libera una gran cantidad de calor.
El ácido clorhídrico (HCl) es un ácido fuerte que representa alrededor de un 3% de los jugos gástricos del cuerpo humano y es fundamental para la digestión de los alimentos.
En general, los hidróxidos, presentan características básicas , por lo que son capaces de cambiar el color de los indicadores, por ejemplo dan color azul al papel tornasol .
Hidróxido de sodio : comunmente llamado soda cáustica, se utiliza en el hogar para destapar las cañerías, en productos de limpieza para hornos y en removedores de pintura. Se debe manipular con mucha precaución ya que puede causar graves lesiones en la piel.
A fines del siglo XIX, el químico Svante Arrhenius, concluyó que los, ácidos, bases y sales conducen la corriente eléctrica cuando están disueltos en agua porque se disocian formando iones positivos y negativos. Arrhenius relacionó el carácter básico de las sustancias con la presencia de iones hidróxido (OH-), cuando están disueltas en agua. Por lo que concluyó que una base es una sustancia que en solución acuosa libera aniones hidróxido (OH -). Por ejemplo:
NaOH (ac) Hidróxido de sodio
->
OH- (ac)
+
anión hidróxido
Como los hidróxidos, en general, presentan un carácter iónico fuerte, no es conveniente utilizar el término fórmula molecular debido a que las partículas predominantes son los iones.
126
• Los ácidos binarios o hidrácidos están formados por dos elemen-
tos: hidrógeno y un no metal que puede ser: flúor, cloro, bromo, yodo o azufre. • Los ácidos ternarios u oxoácidos están formados por tres elemen-
tos: hidrógeno, un no metal y oxígeno . Ejemplo: HNO3 ácido nítrico; HNO2 ácido nitroso.
Los hidróxidos son compuestos ternarios que contienen grupos hidróxidos (OH-) combinados con metales, cuya fórmula es M(OH)x . El subíndice x dependerá del número de oxidación del metal combinado con los grupos hidróxido, por ejemplo: SUSTANCIA
RELACIÓN
H id ró xi do de sod io
p or ca da Na+un OH-
NaOH
Hidróxido de calcio
por cada Ca2+ dos OH-
Ca(OH)2
Acido clorhídrico: también llamado ácido muriático es un ácido muy corrosivo. A pesar de esta característica, constituye el 3% de los jugos gástricos.
Los ácidos presentan características ácidas , por ejemplo dan color rojo al papel tornasol . Arrhenius asoció el carácter ácido de las soluciones a la presencia de cationes H +, en solución acuosa. Por lo que concluyó que un ácido es una sustancia que en solución acuosa libera cationes H +.
FÓRMULA QUÍMICA
En el caso de que el metal tenga más de un número de oxidación se debe aclarar cuál es, al final, entre paréntesis y en número romano. Fe(OH)2 hidróxido de hierro (II) Fe(OH)3 hidróxido de hierro (III)
FORMULACIÓN DE HIDRÓXIDOS Para deducir la fórmula de un hidróxido se debe tener en cuenta el número de oxidación del metal , por ejemplo: Hidróxido de zinc El zinc tiene solamente un número de oxidación, el +2, por lo que por cada catión Zn2+, existen dos aniones OH-: OHZn(OH)2 Zn+2 OHHidróxido de cobre (I)
Ambos ácidos, pueden representarse con la fórmula general HX , donde X puede ser un no metal, o bien, un grupo formado por un no metal y oxígeno. Se diferencian así dos tipos de ácidos:
catión sodio
Se nombran anteponiendo la palabra hidróxido al nombre del metal . Ca(OH) 2 hidróxido de calcio (II), cuyo nombre preferido es hidróxido de calcio
FÓRMULA QUÍMICA
El HNO3 (ácido nítrico) es un ácido fuerte muy corrosivo y tóxico que puede causar graves quemaduras. Tiñe la piel humana al contacto, debido a una reacción con la cisteína presente en la queratina de la piel. Se usa, por ejemplo, en la fabricación de explosivos como el TNT y fertilizantes como el nitrato de amonio.
Na+ (ac)
NOMENCLATURA DE HIDRÓXIDOS
Svante Arrhenius , químico Sueco Premio Nobel en 1903 por su teoría de la disociación iónica.
ÁCIDOS INORGÁNICOS
El cobre, en este hidróxido, está actuando con número de oxidación +1, por lo tanto, por cada catión cobre existe un anión hidróxido: CuOH Cu+ OH-
->
HCl (ac) Ácido clorhídrico
+
Catión hidrógeno
->
HNO3(ac) Ác id o n ítr ic o
H+ (ac)
H+ (ac) Ca tió n h id ró ge no
Cl- (ac) Anión cloruro
+
NO3- (ac) A ni ón n itr ato
FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE HIDRÁCIDOS
Ácido nítrico: es un ácido muy corrosivo y tóxico de color transparente que se descompone con la luz produciendo óxidos de nitrógeno, en especial NO2 que le otorga a la solución un color amarillento. Por lo que se lo debe almacenar en frascos de color ámbar.
Se nombran anteponiendo la palabra ácido al nombre del no metal seguido de la terminación hídrico. Lista de los 5 hidrácidos conocidos: HF
ácido fluorhídrico
HCl
ácido clorhídrico
HBr
ácido bromhídrico
HI
ácido yodhídrico
H2S
ácido sulfhídrico
ÁCIDO SULFHÍDRICO
Se caracteriza por su singular hedor a huevo podrido. Una pequeña cantidad es producida por bacterias de la boca y en el tubo digestivo. Bajo condiciones normales es un gas llamado sulfuro de hidrógeno, que cuando se disuelve en agua tiene comportamientoácido.
127
7
ÁCIDOS INORGÁNICOS
NOMBRES DE LOS OXOÁCIDOS:
Si se ordenan de manera creciente de números de oxidación los nombres de los oxoácidos son: ácido hipo ........ oso ácido ........ oso ácido ........ ico ácido per ........ ico
ÁCIDOS INORGÁNICOS
NOMENCLATURA DE OXOÁCIDOS
OTRA FORMA DE FORMULAR LOS OXOÁCIDOS
Comúnmente se usa la nomenclatura tradicional , para ello se antepone la palabra ácido al nombre del no metal seguido de la terminación correspondiente. Si el no metal forma ácidos con dos números de oxidación diferentes de utilizan las terminaciones oso e ico para diferenciarlos:
Comúnmente se usa la nomenclatura tradicional; ya se vio que los oxoácidos se pueden representar por la fórmula general HX y debido a su comportamiento ácido, disueltos en agua, se disocian generando iones X-, donde X- es un anión formado por un no metal y oxígeno.
+1 +3 -2
HNO2
ácido nitroso
TERMINACIÓNOSO PORQUE EL NITRÓGENO ACTÚA CON SU MENOR NÚMERO DE OXIDACIÓN
+1 +5 -2
HNO3
ácido nítrico
Lista de aniones más conocidos, la fórmula de sus ácidos y su nombre correspondiente:
TERMINACIÓN ICO PORQUE EL NITRÓGENO ACTÚA CON SU MAYOR NÚMERO DE OXIDACIÓN
En el caso del cloro, por ejemplo, que forma ácidos con 4 números de oxidación diferentes, además, se utilizan prefijos: hipo: cuando el número de oxidación del no metal es el menor de todos. per: cuando el número de oxidación del no metal es el mayor de todos. +1 +1 -2
HClO ácido hipocloroso
ANIONES 1anión nitrito anión nitrato
NO21NO31-
FORMULA HNO2 HNO3
NOMBRE ácido nitroso ácido nítrico
anión hipoclorito anión clorito anión clorato anión perclorato
ClO 1ClO21ClO31ClO41-
HClO HClO2 HClO3 HClO4
ác. hipocloroso ácido cloroso ácido clórico ácido perclórico
ANIONES 2anión sulfito anión sulfato anión carbonato
SO3 2SO4 2CO3 2-
H2SO3 H2SO4 H2CO3
ácido sulfuroso ácido sulfurico ácido carbónico
ANIONES 3anión fosfito anión fosfato
PO3 3PO4 3-
H3PO3 H3PO4
ácido fosforoso ácido fosfórico
�ÁCIDO CABONOSO?
+1 +3 -2
HClO2 ácido cloroso Las bebidas gasificadas contienen H2CO3, ácido carbónico (ácido que no se puede aislar).
En la tabla, puede observarse la relación existente entre el nombre del anión y su ácido correspondiente:
+1 +5 -2
HClO3 ácido clórico
Terminación del oxoácido - oso - ico
+1 +7 -2
HClO4 ácido perclórico
FORMULACIÓN DE OXOÁCIDOS La primera tarea para llegar a deducir la fórmula molecular de un oxoácido, es identificar con qué número de oxidación actúa el no metal, ejemplo: ATOMICIDAD DEL NO METAL:
Cuando el número de oxidación es par, la atomicidad del H es 2. Cuando el número de oxidación es impar, la atomicidad del H es 1. Excepción: para los ácidos del elemento fósforo la atomicidad del H es 3.
ÁCIDO CARBÓNICO
¿FÓRMULA MOLECULAR?
• Está formado por los elementos
H, C y O.
• Como el número de oxidación
es par, la atomicidad del H es 2.
+1 +4 -2
HCO
• La fórmula es:
128
Puede observarse también que el subíndice del H depende de la carga del anión.
UN POCO MÁS DE INFORMACIÓN
El carácter ácido depende, principalmente, del elemento no metálico: • Comparando dos oxoácidos del mismo elemento , tiene carácter ácido más fuerte el ácido donde el no
metal actúa con el número de oxidación más alto . Ejemplo: El H3PO4 es más fuerte que el H3PO3. +1 +4 -2
H2 C O
• Por lo tanto el anión debe tener
carga 2-. Por lo tanto la atomicidad del O es 3.
Terminación del anión de ácido - ito - ato
El ácido carbonoso no existe, sus moléculas son tan inestables químicamente que forman inmediatamente ácido carbónico por lo que no tiene sentido formularlo ni nombrarlo.
�TODOS LOS ÁCIDOS TIENEN LA MISMA ACIDEZ?
• El carbono tiene como números
de oxidación +2 y +4 , en este caso, como la terminación es ico, el número de oxidación es el mayor, o sea, +4.
Ácido sulfúrico : es la sustancia más producida a nivel industrial. En soluciones acuosas concentradas se puede apreciar un color ámbar. Se utiliza en la industria de los fertilizantes. Está presente en la lluvia ácida y en el líquido de baterías.
+1 +4 -2
H2C O3
• Comparando ácidos de elementos del mismo grupo y que actúan con el mismo número de oxidación ,
es más fuerte el que contenga el no metal más electronegativo . Por ejemplo, HCl y HF, el ácido fluorhídrico tiene carácter ácido más fuerte que el ácido clorhídrico.
H2CO3 129
7
ESCALA DE pH
ACTIVIDADES EXPERIMENTALES
FUERZA DE ÁCIDOS Y BASES
ACIDEZ ESTOMACAL El estómago segrega ácidos para ayudar a digerir los alimentos. En determinadas ocasiones la acidez aumenta y se suele decir “tengo acidez”.
Las soluciones ácidas se pueden diferenciar de las básicas utilizando reactivos indicadores como el papel tornasol. Sin embargo, se puede tener la misma solución pero con otra concentración y las propiedades básicas o ácidas varían. Por ejemplo, al sentir acidez estomacal, si se toma un vaso con agua, la acidez desciende, debido a que se diluye la solución. Entonces, se puede decir que el carácter ácido o básico de las soluciones puede variar. Para medir la acidez o la basicidad de una solución acuosa, se utiliza comúnmente el papel de pH universal, el cuál indica un valor de pH de la solución, de una escala numérica, llamada escala de pH .
FABRICACIÓN DE TIRAS DE PAPEL PH CASERAS. Objetivo : fabricar tiras de papel pH a partir de extractos vegetales. Materiales : • Tirillas de papel de ltro. • Repollo colorado cortado. • Recipiente. • 150 mL etanol (alcohol etílico). • Mortero. • Colador.
Procedimiento : • Machacar el repollo con un poco de alcohol en el mortero. Agregar
todo el alcohol y dejar reposar unos minutos.
ESCALA DE pH:
• Colar la mezcla y descartar la parte sólida. • Mojar tirillas de papel de ltro en la solución y dejar secar.
Repollo colorado
EXPLICACIÓN: Al machacar el repollo con alcohol se logra extreaer pigmentos llamados antocianinas. Estos pigmentos tiene la particularidad de variar su color apreciablemente cuando cambia de medio, según como muestra el siguiente gráfico. Como la gama de colores es muy amplia permite usarse para determinar el pH con bastante certeza. En esta escala, el medio neutro corresponde a pH=7 a 25ºC.
pH<7 indica medio ácido pH>7 indica medio básico (o alcalino).
De esta manera si se tienen dos soluciones de HCl, una cuyo valor de pH es 4 y otra que es 1, la segunda es muchísimo mas ácida que la primera, porque su pH es menor. Pero si se utiliza papel tornasol, el resultado sera color rojo en las dos porque, el papel tornasol sólo indica el caracter ácido-básico, pero no el grado de acidez o basicidad.
UTILIZACIÓN DE TIRILLAS DE PH CASERAS Objetivo : medir el pH de diferentes soluciones utilizando las tiras de papel pH caseras. Materiales :
HORTENSIAS: El color de las hortensias depende de la absorción de ciertos iones metálicos, la cual está vinculada al pH del suelo.
• Tirillas pH de extracto de repollo colorado. • Varilla. • Vinagre. • Solución limpiadora antigrasa. • Refresco. • Agua. • Y otras sustancias ...
Para obtener el valor de pH de una solución se moja el papel pH universal con ella y se compara con los colores de la escala indicados.
Procedimiento : Cada unidad que varía el pH cambia la acidez en un factor de 10.
• Mojar la varilla en vinagre y descargar sobre una tirilla. Observar color. Y comparar con la escala. • Repetir la operación con las otras soluciones. • Realizar un cuadro con los resultados obtenidos.
El resfresco cola es (pH 3), es 10000 veces más ácido que el agua (pH 7). 130
131
7
FORMACIÓN DE ÁCIDOS Y BASES A PARTIR DE ÓXIDOS FORMACIÓN DE HIDRÓXIDOS A PARTIR DE ÓXIDOS METÁLICOS Y AGUA. ACTIVIDAD EXPE RIMENTAL
PARA REFLEXIONAR LA AMENAZA ÁCIDA…
“¿Cómo podrá sobrevivir una criatura con concha si el aumento de CO 2 incrementa la acidez de los océanos? Dos días después de permanecer sumergida en agua de mar con el nivel de CO 2 que probablemente habríaen el océano Ártico en el año 2100, la concha de un pterópodo se empieza a picar; poco antes del día 45, su carbonato duro se disuelve…
Materiales : • Recipiente de vidrio • Agua destilada • Óxido de calcio (Cal) • Cucharita • Papel tornasol Procedimiento : 1. Colocar unos 50 mL de agua en el recipiente de vidrio y averiguar el carácter ácido o básico del medio. 2. Disolver un poquito de óxido de calcio en el agua. Averiguar el cáracter del medio.
EXPLICACIÓN: Los óxidos metálicos reaccionan con el agua formando hidróxidos. La reacción del óxido de calcio con el agua se puede representar mediante la siguiente ecuación química: ÓXIDOS BÁSICOS:
Se suele denominar óxidos básicos a los óxidos metálicos debido a que al reaccionar con el agua forman hidróxidos (sustancias de carácter básico).
CaO (s)
+
óxido de calcio
H2O (l)
->
Ca(OH) 2 (ac)
hidróxido de calcio
El agua destilada, por ser prácticamente “pura”, presenta un pH neutro. Cuando se forma el hidróxido de calcio la basicidad de la solución aumenta.
FORMACIÓN DE OXOÁCIDOS A PARTIR DE ÓXIDOS NO METÁLICOS Y AGUA ÓXIDOS ÁCIDOS:
Se suele denominar óxidos ácidos a los óxidos no metálicos debido a que al reaccionar con el agua forman oxoácidos (sustancias de carácter ácido).
132
La lluvia no es agua pura, una evidencia de ello es su pH, cuyo valor normal es 5,6. La razón de esta acidez es la reacción que ocurre entre el CO2 presente en el aire y el agua:
CO2 (g)
dióxido de carbono
+
H2O (l)
->
H2CO3 (ac)
ácido carbónico
Los óxidos no metálicos reaccionan con el agua formando oxoácidos . Por esta razón se los suele denominar óxidos ácidos.
comerciales, como el salmón.
A continuación se plantean fragmentos de una lectura extraída de la Revista National Geographic en su edición de Noviembre de 2007.
Concha : Cubierta, formada en su mayor parte por carbonato cálcico, que protege el cuerpo de diversos animales como los caracoles, las almejas, etcétera. de lo que se libera en la atmósfera. Actualmente producimos grandes cantidades: los océanos reciben 25 millones de toneladas al día del exceso de CO2. Los científicos ya han detectado un aumento en la acidez de casi 30% en las aguas superficiales y predicen que habrá un incremento de 100 a 150% para el final del siglo.
…A medida que el nivel de dióxido de carbono atmosférico aumenta, éste no sólo calienta el planeta, sino que al disolverse en los océanos, los vuelve más ácidos. Para los animales que se protegen con conchas, esto representa un ambiente corrosivo e incluso mortal.
Hasta ahora no se han documentado efectos perniciosos en el mar abierto, pero la amenaza es evidente. Al ser disuelto por el agua, el CO2 reacciona y forma ácido carbónico. Durante este proceso cada vez hay menos iones de carbonato y muchos organismos del mar dependen del carbonato del agua marina para la formación de conchas.
Los océanos son un medio natural que favorece el asentamiento del dióxido de carbono y ya han absorbido más de la cuarta parte
Entre ellas se encuentran pequeños caracoles pterótropos, que contribuyen a la alimentación de peces
Algunos modelos computacionales predicen que las aguas polares se volverán hostiles para los pterótro pos dentro de 50 años (las aguas frías contienen la mayor parte del CO2 , por lo que ya son poco favorables para los animales con conchas). Para el año 2100, el hábitat de muchas especies marinas con concha podría reducirse drásticamente, lo que repercutiría en la cadena alimenticia. En vista de que la acidificación está alcanzando los trópicos, “tenemos un escenario fatídico para los arrecifes de coral”, dice Ken Caldeira, oceanógrafo de la Institución Carnegie, de Washington.”
El aumento de acidez del mar frena la calcificación de los corales, indispensable para que crezcan. Artículo extraído de: National Geographic. Noviembre 2007.
ACTIVIDADES 1. Describir la reacción química que se produce entre el CO2 y el agua. Escribir la ecuación química que representa dicha reacción. 2. ¿Qué sucede con la acidez del mar cuando aumenta el nivel de dióxido de carbono? 3. ¿Qué efecto causa ésto en los iones carbonato? 4. ¿Qué reacciones se producen a diario que favorecen esta situación? 5. Buscar información sobre “lluvia ácida”, otra situación grave que se presenta en la naturaleza. “La acidez del agua de lluvia se ha incrementado hasta 100 veces en determinados lugares” .
133
7
PARA REFLEXIONAR
ACTIVIDADES
EL VOLCÁN KAWAH IJEN, UNA MINA DE AZUFRE MORTAL Se perfora el material a golpe de hierro. Sin nada con qué resguardarse de los 115ºC de temperatura que desprenden las tuberías que conducen el preciado líquido antes de cristalizar. La figura de los recolectores se pierde a menudo entre las nubes de sulfuro. Pero aquí nadie sale corrriendo. Aguantan hasta límites insospechados. Las escenas parecen sacadas de otro tiempo.” (Javier Rodríguez
Kawah Ijen es un volcán aún activo, situado en Indonesia, de unos 2.800m de altura. Unos 200 hombres trabajan en condiciones extremas haciendo que su esperanza de vida alcance tan sólo a 45 años. La caldera del volcán de un kilómetro de diámetro tiene la peculiaridad de albergar un lago de un maravilloso color turquesa formado básicamente por agua, ácido clorhídrico y sulfúrico, haciendo de éste el lago más ácido del mundo. Algunos expertos afirman que su pH ha llegado a un valor menor a 0,3. Desde lejos se pueden observar grandes emanaciones de gases y vapores, principalmente dióxido de azufre y H2S, que surgen de las grietas, llamadas f umarolas. Las fumarolas son desviadas por cañerías instaladas en las paredes del cráter donde se forma el azufre.
El azufre líquido, de color rojo intenso, se vierte lentamente por los extremos de las tuberías y se escurre por las rocas, donde solidifica, con las bajas temperaturas de la noche, el azufre cristalino amarillo brillante.
Los mineros, sin guantes y muchos de ellos descalzos, extraen el azufre,rompiéndolo en trozos grandes. “Pican hasta el desfallecimiento. Las columnas de humo les van comiendo los ojos, las gargantas se queman y el olor se vuelve tan fuerte que echa para atrás. La mayoría llevan un trapo amarrado entre los dientes que les ayuda a filtrar el aire.
Gómez “Esclavos del azufre” DIARIO EL PAIS MADRID ESPAÑA 18/12/2005).
Muchos de los trabajadores realizan hasta tres viajes hasta la base del volcán cargando de 40 a 90 Kg de azufre. Lo hacen los 7 días a la semana aunque haya peligro de erupción y se prohíba el acceso a los turistas. A pesar de las condiciones laborales, con un jornal que ronda los 4 euros, y sin contratos que regulen su trabajo, los obreros consideran esta tarea aceptable, ya que ganan 3 o 4 veces más de los que ganarían trabajando en las plantaciones de café o arroz. En una jornada de trabajo, se extraen unas 12 toneladas de azufre, obteniendo un sueldo escaso y una salud quebrantada.
ACTIVIDADES 1. Formular y nombrar todas las sustancias mencionadas en la lectura. 2. Explicar el valor de pH registrado en el lago del interior del volcán. 3. Explicar desde el punto de vista químico la expresión del periodista Javier Rodríguez: “...las columnas de humo les van comiendo los ojos, ...” 4. Averiguar cuáles son los efectos a corto, mediano y largo plazo en la salud de los obreros. 5. Buscar información sobre el usa del azufre en la industria. 6. Javier Rodríguez titula su artículo “Esclavos del azufre”, ¿por qué se habrá decidido por ese título si aprendemos que la esclavitud fue abolida? 134
y realizar las siguien tes 3. Obser var las figuras ac ti vidades:
1.Elegir la opción correc ta bromo(I ) es: a. La fórmula del ó xido de • BrO • BrO2 • Br2O s foro (III ) es: b. La fórmula del ó xido de fó O • P3 2 • P2O3 • PO3 sponde a: c. La fórmula Cu2O corre • Ó xido de cobre (II) • Ó xido de cobre (I ) • Monó xido de cobre nde a : d. La fórmula SO3 correspo • Ó xido de azu fre (III ) • Ó xido de azu fre (I V ) • Ó xido de azu fre ( VI ) e. La fórmula del trió xido • Cl3O2 • ClO3 • Cl2O3
de dicloro es:
represen ta a la molécula 2. Encon trar el modelo que tes ó xidos: de cada uno de los siguien
O2 CuO HBr Fe2O3 NO2
HNO3 Cu2O Ca(OH )2 H2S Fe(OH )3
SO3
con jun to de ó xidos
con jun to de hidró xidos
aparecen en cada cona. Eliminar los in trusos que tar. n ame Fund jun to. tancias que aparecen. b. Nombrar todas las sus ; sus tancias: Al(OH )3; HClO 4. Nombrar las siguien tes ) ; HClO ; HF; H PO4. 3 4 HCl; Cu(OH )2; H2SO4; Mg(OH 2 5. a. ¿En qué se di ferencian cido y de un hidrácido?
los nombres de un o xoá-
ácidos en hidrácidos u b. Clasificar los siguien tes cido sul fhídrico, ácido so, á o xoácidos: ácido fos fóro . rico carbónico y ácido bromhíd
eder e xperimen talmen te 6. a. ¿Cómo se puede proc tancia tiene carác ter bá sus una si ar prob com para o? ácid sico o enius que una sus tancia b. ¿Qué signi fica para Arrh o? ácid y ¿ tenga carác ter básico? n tre el valor de pH y el carác 7. a. E xplicar la relación e sus tancia. una de o básic o ácido ter ien tes soluciones, clasi fib. Dado el pH de las sigu o, básico o neu tro. ácid carlas según el carác ter inada 5,6 • Agua de llu via no con tam • Bilis 7,8 a 8,6 és tico 11,8 • Limpiador an tigrasa dom a 2,0 1,0 trico gás • Jugo
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7
ACTIVIDADES
ACTIVIDADES
�BEBIDA S QUE CAMBIA N DE
ti vidades n te te x to para realizar las ac 8. Leer el siguie n: ació tinu n a co tan que se solici
n bras o fórmulas que se ha 10. a . Comple tar las pala agua como reac ti vo”. o “El tulad ti x to el te en perdido
un pH al , tiene naturalmente “ El agua de lluv ia norm En deternte. ame i mad x a pro ,5 ácido de un v alor de 5 reta , s e llegan a registrar f minadas z onas del p lane res” . meno ,5 o de 3 pH s de cuentemente v alore
ez del agua de llu via a. ¿A qué se debe la acid normal? e para decir si la llu via preb. El papel tornasol, ¿sir v ácida? ¿Cómo se procesen ta una con taminación de?
la llu via cuando su pH desc. ¿Cuán to más ácida es ciende a 3,5? sus tancias que pro vocan d. A veriguar cuáles son las de la llu via y los e fec tos ez acid la de to un aumen leza y las cons truccio tura na re la sob que és ta tiene nes humanas.
con do reacciona un ó xido 9. a. ¿Qué sucede cuan el agua? clasi ficar los ó xidos en b. ¿Por qué se pueden icos? ácidos y bás
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do con los ó x idos generan “ El agua reacciona ciona ………. Si el agua reac ………………. o …… , si en … produce hidró x idos con ó x idos ………… ce ó x idos ……….……. p rodu con iona reacc , bio cam : plos jem E os. o x oácid
H (ac ) Na2O (g ) + .........(l ) -> NaO (....) SO (g ) + H2O (l ) -> H2SO4 3
ieacuosa p resentan pro p Los h idró x idos en solución ......... ........ r ...... colo dan que or lo dades .........................., p que las soluciones acuosas al pa pel tornasol. Mientras por piedades . .......................... pro ntan rese os p ácid de .......... al pa pel tornasol. ......... ....... color dan e lo qu
COLOR!
¿Qué se necesita?
Para realizar esta activ idad s e necesi tan: 3 v asos de vidrio transparente, cubetera, cucharita, olla, escur ridor, cuchillo, agua, repollo colorado, jugo de limón y un poco d e bicarbonato de sodio. ¿Cómo se procede? Primero se extrae el extracto del repollo trozado hirviéndolo dur ante unos minutos en agua. T rabajar con p recaución. Se de ja enfriar y se cuela la prepar ación. La f ase acuosa se coloca en el f reezer en una cubetera. Se preparan tres v asos: uno con agua, otro con agua y jugo de limó n y otro con agua y bicarbonato de sod io. Por último se colocan dos o tres cu bos del indicador en cada v aso. ¿Qué se observ a? ¿Cómo se ex plica?
s fórmulas de las sus tanb. Escribir una lis ta con la el te x to, clasi ficarlas y en an cias que se mencion nombrarlas.
ien tes ecuaciones químicas 11. Comple tar las sigu ación de diferen tes o xoá form la tan esen repr que s. xido hidró s e cido
MgO +
......... ->
Mg(OH )2
+
H2O ->
..................
SO2
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REACCIONES NUCLEARES
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REACCIONES NUCLEARES REACCIONES NUCLEARES
REACCIONES NUCLEARES CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES NUCLEARES • A diferencia de las reacciones químicas -donde de acuerdo a lo que se sabe los núcleos atómicos no se modifican- en los procesos llamados “nucleares” se producen cambios en los núcleos atómicos.
En general, en las reacciones nucleares no intervienen los electrones extranucleares, siendo una excepción el fenómeno denominado captura electrónica, en el cual un electrón es “capturado” por un núcleo atómico. • A diferencia de las reacciones químicas -donde se conserva la masa total y la de cada elemento químico presente- en las reacciones nucleares no se conserva la masa total, y los elementos químicos se transforman unos en otros. • La energía que se libera en las reacciones nucleares, es comparativamente mucho mayor que la liberada en las reacciones químicas, aún las más exotérmicas. Por ejemplo: la explosión de un kilogramo de dinamita (reacción química), genera una ínfima cantidad de energía en comparación con la energía liberada en la fisión nuclear de un kilogramo de uranio-235.
Monumento a las víctimas del accidente de 1986 en la central nuclear de Chernobyl (Ucrania).
En tanto que la energía liberada en las bombas nucleares se debe a fisión o fusión nuclear , la energía emitida por el Sol y las demás estrellas se debe a reacciones de fusión .
Nebulosa Ojo de Gato, en falsos colores codificados. Se la observa en la constelación del Dragón y se encuentra a más de 3000 años-luz de la Tierra.
Bomba de hidrógeno. Explosión experimental, Islas Marshall, 1952. Existe actualmente una moratoria internacional para este tipo de ensayos nucleares.
La bomba de hidrógeno, conocida como bomba H, nunca usada en guerra, no es sólo una bomba de fusión nuclear. Incluye una pequeña bomba de fisión que al ser detonada permite alcanzar la elevadísima temperatura necesaria para la fusión. Los neutrones liberados en la fusión de isótopos del hidrógeno, detonan luego una poderosa bomba de fisión en el artefacto, por lo que la bomba H es un arma de fisión-fusión-fisión.
Imagen de una tomografía de emisión de positrones (PET), en un paciente en el que se estudia la posible formación de un tumor maligno. El Sol fotografiado en Nepal el 22 de julio de 2009, antes de un eclipse total. 140
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REACCIONES NUCLEARES
REACCIONES NUCLEARES
OTRAS PARTÍCULAS... En las reacciones nucleares, además de energía, se emiten al entorno diferentes tipos de partículas, provenientes de los núcleos atómicos.
Tabla Emisión alfa beta neutrones neutrinos positrones
Símbolos opcionales 4 α 2 α 0 β -1 β 1 n 0 n 0 ν ν 0 0 β β +1
Carga eléctrica Masa aproximada (en u) +2 4 -1 0 0 1 0 0 +1 0
Alfa y beta son dos tipos diferentes de partículas emitidas por núcleos radiactivos; unos isótopos son emisores α y otros son emisores β . Por ejemplo, el uranio-238 es emisor α en tanto que el plomo-210 es emisor β
La Tomografía de Emisión de Positrones (PET) es una técnica combinada de Medicina Nuclear para diagnóstico no invasivo a través de imágenes, aplicable especialmente en Oncología, Cardiología y Neurología. Para estudios de cerebro, por ejemplo, la tomografía de emisión de positrones se aplica con fluor-desoxiglucosa (FDG), compuesto que se administra al paciente por vía intravenosa, y que contiene átomos del radionuclido flúor-18. En el cerebro, los positrones emitidos por el compuesto FDG suministran información sobre el consumo tanto regional como total de glucosa, lo que constituye un parámetro del metabolismo, pudiendo ponerse de manifiesto mediante este tipo de tomografía (PET) numerosasenfermedades neurológicas y trastornos psiquiátricos, el diagnóstico precoz y diferencial de las demencias, como la enfermedad de Alzheimer y otras patologías. 142
La emisión de positrones -otro tipo de partículas- es observable en la radiactividad artificial.
Estos filamentos son residuos de una explosión estelar ocurrida en la Nube Grande de Magallanes, una galaxia visible a simple vista en nuestro cielo, situada a 160.000 años-luz de distancia.
RADIACIÓN GAMMA
En esta estructura se encuentra una estrella de neutrones, resto central de la explosión.
A diferencia de las emisiones alfa, beta, etc., en la emisión gamma el núcleo no emite partículas sino radiación electromagnética de alta energía. Este tipo de radiación puede tener diferente origen: es emitida por los núcleos radiactivos, también se origina en la aniquilación entre partículas y antipartículas -por ejemplo, choque de electrón y positrón- y en otros procesos que ocurren en el Universo, aún no totalmente comprendidos por los astrónomos.
El 5 de marzo de 1979 esta estrella de neutrones desencadenó una intensa radiación gamma que fue detectada por numerosos satélites. Desde dicha estrella de neutrones ha habido emisión gamma en varias ocasiones posteriores.
La NASA, en cooperación con institutos de investigación astronómica de Francia, Alemania, Italia, Suecia y Japón, lanzaron al espacio en junio de 2008 el GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope), un telescopio de 700 millones de dólares, que hace poco fue rebautizado como Fermi y uno de cuyos objetivos es estudiar la radiación gamma proveniente del espacio.
Telescopios con sensores para observar todos los sectores del espectro electromagnético -ondas de radio, microondas, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta y rayos X- están en el espacio desde hace años. Las explosiones súbitas que producen radiación gamma en el espacio fueron descubiertas a finales de la década de 1960 por satélites de espionaje estadounidenses. Lo que los satélites trataban de detectar eran señales de alguna prueba nuclear rusa, pero en su lugar registraron radiación gamma proveniente de distintos puntos del espacio.
Unidad de cobalto-60 para Radioterapia con radiación gamma. Esta tecnología está siendo sustituida por los aceleradores lineales.
“Todos los días se observa alguna explosión de rayos gamma en alguna parte del universo”, dice Joshua Bloom, Profesor de Astronomía de la Universidad de Berkeley. “Pero no es fácil descubrir de dónde provienen exactamente. Y su causa también está rodeada de misterio, aunque manejamos algunas hipótesis”, concluye Bloom. Posiblemente esta radiación gamma proviene de estrellas de neutrones.
Enrico Fermi (físico italiano), Premio Nobel de Física 1938, que trabajó en Estados Unidos desde ese año hasta su muerte en 1954.
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REACCIONES NUCLEARES
REACCIONES NUCLEARES EMISIONES RADIACTIVAS La radiactividad consiste en la emisión de dos tipos de partículas (alfa y beta) y una radiación electromagnética (radiación gamma), provenientes de determinados núcleos atómicos inestables.
La imagen advierte sobre radiactividad . Esta es la representación adoptada por la comunidad científica internacional desde febrero de 2007, sustituyendo al anterior símbolo de radiactividad. (Se ha dejado de usar la palabra “radioactividad”).
Poder de penetración
ß
Hoja de papel
Henri Becquerel
RADIACTIVIDAD NATURAL RADIACTIVIDAD El primer fenómeno de origen nuclear que se descubrió fue la radiactividad, descubierta por Henri Becquerel (científico francés) en 1896, en el curso de una investigación en la que empleó un compuesto de uranio. Este elemento se conocía desde hacía cien años, pero nadie había descubierto la propiedad de emitir lo que Becquerel denominó entonces “rayos del uranio”.
Es radiactiva toda sustancia simple o compuesta en la que se encuentra un elemento radiactivo. Son naturalmente radiactivos todos los núcleos con número atómico igual o superior a 84 (elemento polonio), y también lo son algunos isótopos de número atómico 83 (elemento bismuto), número atómico 82 (elemento plomo), y número atómico 81 (elemento talio); también son naturalmente radiactivos algunos isótopos de elementos de bajo número atómico, como es el caso de un isótopo del hidrógeno denominado tritio, y un isótopo del carbono llamado carbono-14.
En 1898, María Sklodowska (científica polaca) y su esposo Pierre Curie (científico francés), descubrieron dos nuevos elementos químicos , es decir, desconocidos hasta entonces, y que emitían radiaciones más intensas que el uranio. Al primer elemento que descubrieron lo llamaron polonio, y al segundo, más activo aún, lo llamaron radio. Los “rayos del uranio” o “rayos de Becquerel” pasaron a denominarse radiactividad .
María Sklodowska con sus dos hijas, Irene (la mayor) y Eva, en 1907. La vida de Maria Curie no fue solamente una vida “consagrada a la ciencia”, como dicen muchas publicaciones, sino que además, en épocas muy difíciles, defendió los derechos de la mujer y otras causas de lucha que creyó justas. Su hija Irene también lo hizo, como fue por ejemplo su militancia en apoyo a la República Española durante la Guerra Civil 1936-1939. 144
Maria Sklodowska, nacida en la actual Polonia y que luego contrajo matrimonio con el físico Pierre Curie en Francia, es seguramente la científica más conocida incluso fuera del ámbito de su especialidad. Descubrió dos nuevos elementos químicos radiactivos, a los que denominó polonio y radio. Recibió el Premio Nobel de Física en 1903 compartido con Curie y Becquerel; luego María recibiría también el Premio Nobel de Química 1911. Su hija Irene y el esposo Fréderic Joliot fueron los descubridores de la radiactividad artificial , por lo que recibieron el Premio Nobel de Química 1935.
Aluminio (algunos mm)
Bloque de plomo
Los tres tipos de emisión presentan diferente poder de penetración en los materiales, siendo la emisión alfa la menos penetrante y la gamma la más penetrante. Así por ejemplo, un papel grueso puede detener las partículas α. Una lámina de aluminio de 1 cm de espesor puede detener las partículas β. La radiación Υ en cambio, puede atravesar una pared de ladrillos. El plomo es el material más eficaz para detener dicha radiación. Una pared de plomo de 5 cm de espesor es tan efectiva para detener la radiación gamma como lo son 30 cm de acero, por ejemplo. Pero dicho poder de penetración no presenta relación directa con el daño biológico que pueden causar estas emisiones.
Imagen de Tabla Periódica donde se destaca en colores la ubicación de los elementos naturalmente radiactivos.
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REACCIONES NUCLEARES Las partículas alfa están formadas por dos protones y dos neutrones , es decir son idénticas a los núcleos atómicos del helio-4. Las partículas beta son electrones. La radiación gamma es una radiación electromagnética, como también lo son los “rayos X”, las microondas, las ondas de radio, la luz visible. Esta señal de advertencia que representó a la RADIACTIVIDAD durante décadas, y que fue sustituido en 2007, todavía puede verse en publicaciones, películas, etc.
Cuando un núcleo radiactivo (radionuclido) emite una partícula alfa, se transmuta en otro radionuclido que corresponde a otro elemento químico, situado dos lugares a la izquierda en la Tabla Periódica, dado que ha disminuido su número atómico en 2 unidades. Cuando un radionuclido emite una partícula beta, se transmuta en otro radionuclido que corresponde a otro elemento químico, situado un lugar a la derecha en la Tabla Periódica, dado que su número atómico aumenta en una unidad por la formación de un protón en dicho proceso.
RADIOTERAPIA
La Radioterapia es un tratamiento oncológico que utiliza radiaciones para eliminar células cancerígenas, en la parte del organismo donde se encuentren (tratamiento local). La radioterapia actúa sobre el tumor, destruyendo las células malignas. Un tipo de tratamiento de radioterapia consiste en la colocación de fuentes radiactivas encapsuladas dentro o en la proximidad de un tumor. Se usa principalmente en tumores ginecológicos. El cesio-137 o el iridio-192, son fuentes radiactivas artificiales empleadas en estos casos. En la radioterapia externa, la fuente de radiación está a cierta distancia del paciente, en equipos de grandes dimensiones, como son la unidad de cobalto-60 y los aceleradoreslineales. En este tipo de tratamiento los pacientes acuden de forma ambulatoria por un período de tiempo variable. Pueden ser irradiados con radiación gamma, como en el caso de la llamada “bomba” de cobalto-60; o con rayos X de alta energía como en el caso de los aceleradores lineales más modernos. 146
Un ejemplo de ecuación nuclear correspondiente a la emisión de una partícula alfa -un núcleo de helio- es la siguiente:
U ->
238 92
FUSIÓN NUCLEAR “Los átomos de los que estamos hechos, alguna vez estuvieron en el interior de una estrella; una estrella que mediante una gigantesca ex plosión de supernova, desparramó su material en el espacio interestelar, donde quedó disponible para el proceso que originó nuestro Sol y los planetas”.
Fred Hoyle, 1962. Fronteras de la Astronomía . La fusión nuclear consiste en la unión de determinados núcleos atómicos formando núcleos más masivos . El término “fusión” tiene aquí el mismo sentido que cuando se dice por ejemplo: “se realizó la fusión de dos empresas creando una nueva”. En las estrellas los núcleos de hidrógeno (Z=1) se fusionan originando núcleos de helio (Z=2), primera etapa de la fusión . Hidrógeno y helio son los elementos más abundantes en el Universo y componen la mayor parte de la materia estelar.
Th + 42He
234 90
La emisión de radiación gamma no provoca ningún cambio en el número de protones o neutrones en el núcleo.
REACCIONES NUCLEARES
Contador Geiger para detección y medida de radiactividad.
UNIDADES La unidad de radiactividad en el Sistema Internacional de Unidades es el becquerel (Bq) . 1 Bq = una desintegración nuclear por segundo.
Dos núcleos de helio se fusionan originando un núcleo de berilio (Z=4). Éste puede fusionarse con un núcleo de helio generando un núcleo de carbono (Z=6). Este último a su vez se fusiona con un núcleo de helio formando oxígeno (Z=8). El carbono y el oxígeno son muy abundantes en determinado tipo de estrellas: las enanas blancas . Los núcleos atómicos del elemento hierro, por ejemplo, también se generan por fusión nuclear en el interior de las estrellas, si bien no todos los elementos químicos se originan mediante este tipo de proceso. Gran parte de los elementos presentes en el Universo se generan por fusión nuclear en las estrellas. En dichos procesos de fusión se liberan enormes cantidades de energía.
(El curie es una unidad todavía muy usada). La unidad de dosis de radiación absorbida es el gray (Gy). Corresponde a la energía, expresada en joules, absorbida por kilogramo de material expuesto a la radiación. La unidad que expresa el riesgo de daño biológico para el ser humano expuesto a la radiactividad, es el sievert (Sv) . Si bien sus dimensiones son las mismas que las del gray (J/kg), ambas miden aspectos diferentes de la exposición a la radiactividad. No necesariamente 1 Gy = 1 Sv. Introduciendo determinados factores de cálculo, es posible ponderar el diferente efecto biológico que sobre determinados tejidos y órganos del cuerpo humano puede causar una misma dosis de radiación absorbida. Por ejemplo, a igual dosis de radiación recibida, el riesgo para las gónadas es mucho más alto que para el tejido muscular. Además el tipo de emisión -alfa, beta o gamma- es otro factor de consideración en la evaluación de riesgo (efectos estocásticos).
“Cenizas”de estrellas. Los núcleos atómicos de hidrógeno y de oxígeno que componen el agua de nuestro planeta se encontraban hace millones de años en alguna estrella que colapsó en algún lugar del Universo.
�EXISTEN GALAXIAS DE ANTIMATERIA?
No se sabe, se buscan evidencias. La teoría estándar de partículas en su primera versión no distinguía entre materia y antimateria. Esto conducía a que en el Universo debería haber la misma cantidad de una que de la otra. Andrei Sajarov había planteado en 1967, eventos no simétricos, donde no rijan las mismas leyes para la materia que para la antimateria. El Premio Nobel de Física 2008 fue concedido a Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, “por el descubrimiento del mecanismo de ruptura espontánea de simetría en Física de partículas” -en el caso del primero de los nombradosy “por el descubrimiento del origen de la ruptura espontánea de simetría, lo que supone la existencia de por lo menos tres familias de quarks en la naturaleza” -en el caso de los dos científicos nombrados por último- según se expresa en los considerandos del Comité que otorgó el Premio Nobel. Según la teoría del Big Bang sobre la creación del Universo, si se hubieran producido cantidades iguales de materia y de antimateria, se habrían aniquilado mutuamente. “Pero una desviación a la simetría hizo que por cada 10.000 millones de partículas de antimateria hubiera una partícula más de materia. Es esta ruptura de la simetría, la que parece haber permitido sobrevivir a nuestro universo de materia”, señaló el Comité Nobel en 2008. 147
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REACCIONES NUCLEARES AQUELLA LUNA (cuento)
REACCIONES NUCLEARES FISIÓN NUCLEAR La fisión nuclear consiste en la ruptura de determinados núcleos atómicos por la incidencia de neutrones sobre dichos núcleos. La fragmentación de un núcleo de uranio-235 por acción de un neutrón, produce dos núcleos de elementos menos masivos (como si se partiera un objeto, no necesariamente a la mitad). En esta fragmentación se liberan neutrones, entre 1 y 3 por núcleo promedialmente, como muestra el esquema. Estos pueden fragmentar a su vez a otros núcleos de uranio235, continuando un fenómeno de reacción en cadena.
235 92
ó n u t r n e
El gran lago blanco del cráter VIII, era dióxido de carbono en estado sólido. Los sensores infrarrojos de la nave no habían logrado captar imágenes nítidas de su superficie, debido a la espesa niebla blanca que se formaba sobre la misma por sublimación del hielo seco. “Al sureste del lago de dióxido de cabono, observamos lo que parece ser el resultado más sorprendente de la exploración; las cámaras registraron posibles huellas de una civilización científica en el lugar, en algún tiempo pasado. Inscriptas sobre un suelo de mayor densidad que el hielo seco, y que brilla con una fluorescencia azulada, hemos descubierto una línea curvada hacia la izquierda, marcada artificialmente creemos, y señalada con un símbolo. Hacia el centro se ve una recta, y junto a ella un símbolo que nos hace recordar a nuestra letra griega gamma. Vemos luego una línea curvada hacia la derecha, y señalada con otro símbolo. Nuestros contadores de radiactividad indican que el efecto biológico de la radiación que afectaría a cualquier tripulación terrestre que descendiera en el cráter, superaría los 3 sieverts”. Así informó a la base Tierra el comandante de la nave espacial Kryptos que orbitaba aquella extraña luna. La intensa emisión de positrones que provenían del cráter VIII, y que podrían causar el colapso de la estructura de la nave, fue finalmente el hecho determinante que decidió al comandante a solicitar autorización para el alejamiento. Al recibir la decisión afirmativa desde la base Tierra, modificó el rumbo abandonando la órbita. Los sensores indicaban que la dosis de radiación absorbida por la nave no había superado los 0.5 gray. De pronto, la cámara que todavía estaba enfocada hacia aquella luna, mostró una imagen que sorprendió al comandante. Se veía la imagen difusa de objetos en movimiento que salían de la zona radiante, peligrosamente radiactiva según los instrumentos a bordo, y se acercaban al borde del lago blanco. El comandante aumentó entonces todo lo posible en la pantalla el tamaño de los detalles. Uno de ellos, que le pareció similar a un perro, corría detrás de otros cuerpos más pequeños que volaban, y que le recordaron gaviotas, a las que el perro posiblemente perseguía. Las aves se alejaban de su alcance volando en giros sobre la orilla del lago de hielo seco, quedando luego ocultas en la niebla blanca de la sublimación.
n t r ó n e u
neutrón
235 92
U
neutrón
235 92
U
235 92
neutrón
U
235 92
U
U
n e u t ró n
235 92
U + 10n _>
235 92
etc.
U
Ba + 91 Kr + 3 10n 36
142 56
Son fisionables algunos isótopos de los elementos más masivos, por ejemplo, del elemento uranio, o del elemento plutonio (artificial). Mientras que el uranio-235 es fisionable, el uranio-238 -el isótopo más abundante de este elemento en la naturaleza- no es fisionable fácilmente. La característica de la fisión nuclear que generó el mayor interés tecnológico luego de su descubrimiento, fue le enorme cantidad de energía que se libera en este proceso. Cuando se habla del uranio “enriquecido”, o sobre la importancia militar de una “planta de enriquecimiento” de uranio, se hace referencia a los procesos de separación de isótopos que permiten extraer el uranio-235 a partir de la mezcla isotópica que se encuentra en la corteza terrestre, que es principalmente uranio-238, no fisionable.
La cámara ya no permitía discernir detalladamente los objetos de aquella luna; en la pantalla de la nave Kryptos quedaban solamente imágenes exageradamente pixeladas de una realidad desconocida e inexplicada. 148
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REACCIONES NUCLEARES
Yamahata (1952) también escribió: “Se han publicado muchos artículos, tanto desde el punto de vista de los expertos como de las víctimas, acerca de la capacidad militar de la bomba y de los trágicos daños que causó. No considero que me corresponda hablar sobre esos temas. En vez de ello, creo que es mi obligación dejar que quienes las vean juzgar con absoluta libertad sobre la información tan dramáticamente capturada por la cámara.
REACCIONES NUCLEARES
BOMBAS DE FISIÓN NUCLEAR
CENTRALES NUCLEARES
“La memoria humana tiene tendencia a desviarse, y el juicio crítico a desvanecerse con los años, con los cambios en el estilo de vida y por las nuevas circunstancias. Pero la cámara, al captar la realidad de aquel momento, nos trae ante nuestra vista los hechos irrefutables ocurridos.
Se observan las torres de refrigeración que desprenden vapor de agua. Al igual que las centrales térmicas que emplean combustibles derivados del petróleo, las centrales nucleares también son “térmicas”, ya que en ellas también se calienta agua, pero mediante energía proveniente de la fisión nuclear , para transformarla en vapor que mueve turbinas, las que mediante los dínamos generan electricidad.
Hoy, con la notable recuperación de Nagasaki e Hiroshima, es difícil recordar el pasado, pero estas fotografías continuarán mostrándonos un testimonio inequívoco de la realidad de aquel tiempo”.
Yosuke Yamahata, 1952 (f otógrafo) . En innumerables libros y en Internet pueden verse fotografías del denominado “hongo atómico” causado por la explosión de una bomba de fisión nuclear, mostrándose en general al lector fotografías de la bomba lanzada sobre Hiroshima (6 de agosto de 1945), o sobre Nagasaki (9 de agosto de 1945). Para este libro se han seleccionado dos fotos: la de una madre y su hijo y la de dos hermanos, tomadas en Hiroshima unos días después del ataque aéreo, y cuando aún no se conocían las consecuencias biológicas de la radiactividad generada por este nuevo tipo de bomba.
Las que se ven en las fotografías, presentaron varios incidentes de seguridad en los últimos años. Uno de ellos, en abril de 2008 fue categorizado inicialmente como de nivel 1 en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares, pero luego el organismo oficial competente decidió elevar el incidente a nivel 2 “por inadecuado control del material radiactivo y por proporcionar información incompleta y deficiente al organismo regulador”. El hecho incluyó la destitución del director y del jefe de protección radiológica de la central. Abajo, uno de los dibujos infantiles -de los miles que se realizan cada año- al conmemorarse el aniversario de los ataques nucleares ocurridos en agosto de 1945. La guerra en Europa había finalizado el 8 de mayo de ese año. (Las grullas constituyen símbolos).
Muchos de los dibujos infantiles para esta conmemoración anual, muestran el edificio que no se derrumbó totalmente y que estaba situado debajo del lugar donde explotó la bomba al caer. El edificio semidestruido fue conservado como símbolo en el Parque de la Paz de Hiroshima. (Vista actual).
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La radiactividad vertida al ambiente ascendió a unos 85 millones de becquerel , debida a los radionuclidos 60Co, 54Mn, 51Cr y 59Fe. Se realizaron medidas de radiactividad a los 1550 trabajadores de la central, constatándose que no había valores por encima de los límites de riesgo establecidos internacionalmente. En octube de 2009 tuvo lugar un nuevo incidente de seguridad en la central que se muestra arriba. Fue categorizado como de nivel 1 en la escala internacional de sucesos nucleares y se envió a la central un equipo de inspectores.
Central nuclear con una única torre de refrigeración.
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