15 de agosto de 2006

Informe de laboratorio Nª2

Identificación de las principales funciones químicas y periodicidad.

Objetivos:

• Identificar las principales funciones químicas experimentalmente.

• Mirar las variaciones periódicas de los elementos a partir de sus propiedades químicas y físicas.

• Observar la coherencia y la información que brinda la organización de la tabla periódica.

Introducción:

Se puede considerar que la historia de los elementos se remonta básicamente desde que el hombre empezó a cuestionarse acerca de composición de las cosas. Del primero que se tiene registro es de Tales de Mileto en el siglo VII antes de cristo, quien creía que las cosas estaban hechas de agua y de acuerdo al estado en que se encontrara formaba las distintas sustancias. Después de Tales, también en Grecia, aparecieron grandes pensadores como Anaxímenes y Anaximandro que propusieron otros tres elementos constitutivos, los cuales se sostuvieron por mucho tiempo, el aire, fuego y tierra, pero cada uno como tal, como constituyente fundamental, como generador de los otros mediante el principio de rarefacción y solidificación; no obstante, fue hasta el siglo quinto cuando el gran pensador y filosofo Empédocles, reunió todas las teorías antes propuestas, agregando que todos los cuatro elementos eran complementarios, y eran los cuatro y no uno solamente los que originan las demás sustancias y son, por lo mismo, la constitución de todas las cosas, no solamente, diferenciadas por el principio de rarefacción y solidificación, sino por la organización de estas en cuando a cantidad y las proporciones en las que se encuentra cada elemento.

La teoría de los cuatro elementos constitutivos, duro por varios siglos, aun cuando Aristóteles añadió un quinto elemento conocido como el éter o la quintaesencia, que formaba las estrellas, aun así seguía afirmando que la tierra, el fuego, el aire y el agua, eran los elementos que constituían los objetos terrestres.

Hacia el siglo III antes de cristo, después de la muerte de Aristóteles, y gracias a las conquistas de Alejandro Magno, las ideas filosóficas greco-.romanas, se expandieron por todo el viejo continente, y al mezclarse con ideologías árabes y españoles, se creo una nueva idea: La alquimia, que platea un conocimiento de la naturaleza a partir del comportamiento de la misma, de este modo, descubrieron que muchas sustancias, sometidas a algunos procesos químicos, se transformaban en otras, como cuando se fundían ciertas piedras con carbón, las piedras se convertían en metales, al calentar arena y caliza se formaba vidrio. Los alquimistas, además, pensaban que cualquier sustancia podía convertirse o transformarse en oro, el mas valioso y puro de los metales, ya que sostenían que todas las sustancias estaban hechas de los cuatro elementos. Durante siglos, los alquimistas, intentaron encontrar una piedra a la que atribuían propiedades maravillosas y mágicas: la piedra filosofal, que transformaba las sustancias que tocaba en oro.

A pesar de que durante siglos, los alquimistas buscaran una transformación que jamás iba a ser posible, como la transformación de cualquier sustancia para convertirla en oro, hicieron bastantes descubrimientos en cuanto a sustancias químicas y compuestos de la naturaleza, descubrieron el antimonio, el bismuto, el zinc, los ácidos fuertes, las bases o álcalis (palabra que deriva del árabe), la sal y bastantes compuestos químicos.

Solo hasta el siglo XVII, Se dio la primera definición “moderna” del elemento, y justamente fue esto lo que dio paso a una nueva ciencia, la química, que se encarga de estudiar la composición, estructura y propiedades de la materia. Robert Boyle, fue el primero en dar la definición valida de los elementos, y los describió como aquellas sustancias que no podían ser descompuestas en otras más simples.

La definición del elemento propuesto por Boyle, fue el fin de las propuestas alquimistas

Conocer las propiedades de los átomos, y en especial su peso, se transformó en la tarea fundamental de la química y, gracias a las ideas de Avogadro y Cannizaro, durante la primera mitad del siglo XIX, gran parte de la labor química consistió en determinar os pesos de los átomos y las formulas químicas de muchos compuestos y gracias a estos procedimientos se iban descubriendo más y más elementos, para la década de 1860 se conocían más de 60 elementos.

La primera organización de estos fue dada por el científico Döbereiner, quien agrupo los elementos hasta ahora existentes en grupitos de tres en los que los elementos compartían propiedades similares.

Hess en 1849 hizo cuatro grupos de cuatro elementos no metálicos que compartían propiedades similares, pero no se le encontró gran utilidad ya que incluía solo una pequeña parte de los elementos descubiertos.

Muchos químicos desde entonces intentaron buscar una relación entre las propiedades de los elementos desde los trabajos de Döbereiner pero fue hasta en 1864 que un químico ingles llamado Newlands, descubrió que al organizar los elementos en orden creciente por su peso atómico, el octavo elemento tenía propiedades similares al primero, el noveno al segundo y así sucesivamente, cada ocho elementos, las propiedades se repetían, lo denominó ley de las octavas. Sin embargo las octavas de Newlands no se cumplían todas las veces, ya que tras las primeras octavas la ley dejaba de cumplirse.

Cinco años después Mendeleiev ordeno una y otra vez los elementos, dió origen a la tabla periódica, tras la relación que había dado Dovereinem y las observaciones de Newlands.

Mendeleiev y Meyer ordenaron independientemente, la estructura de los elementos basándose en la familiaridad, características, comportamiento y según enlaces de valencia de los átomos, con los cuales se enlazaban entre si para formar moléculas, además de sus pesos atómicos. De esta forma los fue organizando de en filas por su peso y en columnas por sus propiedades similares y su numero de valencia.

En la tabla de Mendeleiev que contaba con los 63 elementos conocidos quedaron unos espacios vacíos de los que se atrevió a corregir sus pesos y predecir las propiedades físicas y químicas de los elementos que faltaban. Esta tabla fue publicada en 1869 y al descubrirse los elementos que faltaban sus características coincidían con las predicciones de Mendeleiev.

En 1925 la tabla periódica moderna era una progresión según el número atómico, con una nueva columna en su extremo derecho ocupada por los gases nobles, descubiertos justo antes de iniciarse el siglo XX. Con el tiempo los elementos se clasificaron también dentro de la tabla periódica en metales alcalinotérreos, tierras raras, lantánidos, radiactivos, cuyos núcleos se rompen por si mismos, desintegrándose en elementos de vida mas larga, la mitad de cualquier cantidad existente de un elemento radiactivo se desintegra cada cierto tiempo, este periodo de tiempo se conoce como vida media. Así todos los elementos conocidos a partir del plomo son radiactivos. Muchos investigadores se ocupaban en la creación de elementos mas pesados que el uranio llamados transuránicos.

Marco teórico:

Las Reacciones Químicas:

En el Universo todo está sometido a una evolución permanente. Todo lo que conocemos desde los seres vivos hasta las montañas o las estrellas, todo se debe a un constante cambio.

La humanidad ha utilizado desde el principio de su existencia reacciones químicas para producir energía. En primer lugar mediante la combustión de madera o de carbón, pasando por las que tienen lugar en los motores de explosión de los coches y llegando hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de propulsión de las naves espaciales.

Los cambios químicos ocurren mediante la existencia de reacciones químicas, pudiéndose definir una reacción química como: “un proceso en el que unas sustancias se transforman en otras por la reordenación de sus átomos mediante la ruptura de unos enlaces en los reactivos y la formación de otros nuevos en los productos”, estas reacciones se caracterizan porque hay un cambio en las propiedades del reactivo, además de una variación de energía que se va manifestando en el transcurso del proceso.

Hay principalmente dos tipos de reacciones químicas las cuales son: orgánicas e inorgánicas; la primera comprende reacciones de sustitución, eliminación, descomposición, adición, reordenación y condenación; por su parte las reacciones químicas inorgánicas que son la que en el momento habláremos comprende acido-base, oxidación-reducción (redox), combustión.

Acido-base: en 1923 Johannes Brönsted y Thomas Lowry enunciaron que una sustancia acida es aquella que puede donar H+, y definieron la base como una sustancia que puede aceptar protones. Posteriormente Gilbert Lewis dijo que un acido es una sustancia que puede aceptar un par de electrones y una base es aquella que puede donar eses par.

Combustión: es la combinación de un cuerpo combustible que tiene la propiedad de arder siempre y cuando halla un comburente que generalmente es el oxigeno.

Oxidación- reducción (redox): La oxidación es el aumento del número de oxidación de un átomo, por su parte la reducción provoca una disminución en el número de oxidación de un átomo.

Más tarde los términos oxidación y reducción se aplicaron a procesos donde hay transferencia de electrones, la sustancia que pierde electrones se oxida y la que gana electrones, se reduce.

Se puede observar que las reacciones químicas son muy importantes para nuestra vida cotidiana, en fenómenos tales como explosiones y procesos vitales como lo son la alimentación, la respiración, entre otros. En fenómenos tales como explosiones, en procesos vitales tales como alimentación, respiración etc. Todas las sustancias que a diario utilizamos son o fueron producto de reacciones químicas

La mayoria de los elements quimicos, estan presentes en nuestro espacio todo el tiempo, sin embargo, a pesar de estar en un ambiente lleno de moléculas que tan conocidas, la mayoria de nosotros apenas reconocemos unos pequeños elementos como el oxigeno el oro, el hierro, y algunos metales, sin embargo, hay muchisimos mas elementos que son incluso mas comunes que los mencionados anteriormente pero al desconocer los usos, no los identificamos con facilidad, a continuación estan algunos de los elementos quimicos y sus principales usos industriales y biologicos en algunos casos:

-Sodio: Útil en la manufactura de compuestos como cianuros, azidas, peróxidos, etc.: en síntesis orgánica: en celdas fotoeléctricas, en lámparas de sodio, extremadamente cáustico para todos los tejidos. El hidróxido de sodio conocido como soda cáustica se usa para fabricar jabón , rayón y papel, en las refinerias de petroleo y en la industria textil y del caucho o hule ; el fluoruro de Sodio se utiliza como antiséptico como veneno para ratas y cucarachas.

-Potasio: Se usa mucho en la síntesis de compuestos inorgánicos de potasio y en síntesis orgánica, se utiliza en fotografía, grabando y litografía además en la medicina como cedante (KBr). El cromato de potasio (K2CrO4) y el dicromato de potasio (K2 Cr2O7) son poderosos agentes oxidantes utilizados en fósforos y fuegos artificiales. El yoduro de Potasio (KI) es un compuesto muy soluble en agua usando en fotod¡grafía para preparar emulaciones, y en la medicina para el tratamiento del reuma y de la actividad excesiva de la tiroides.

-Magnesio: Se emplea en la manufactura de aleaciones livianas: en la fabricación de instrumentos de precisión: espejos ópticos: en pirotécnica en metalurgia como agente desoxidante y desolfurizante; junto con el zinc en baterías secas en “flash” luminosos e intensos: en recubrimiento de titanio.

-Calcio: En metalurgia, como desoxidante para el cobre, en aleaciones con cerio para elaborar piedras de encendedores. En la manufactura de tubos de vací9o electrónicos. El acetato de calcio es empleado en la manufactura de ácido acético, acetona y colorantes; útil en el procesado de pieles: como lubricante como estabilizador de alimentos: como inhibidor de la corrosión.

-Carbono: Como absorbente de gases (carbón activcado). El diamante, en joyería y como herramienta de corte fino, el dióxido de carbono se emplea en la elaboración de bebidas gaseosas y para extinguir incendios, elemento costituyente de todos los compuestos orgánicos, desde los hidrocarburos alifáticos más simples hasta la molécula de ADN, responsable de la herencia.

-Plomo: Se utiliza como antidetonante para la gasolina, con él se fabrican cámaras para la producción de ácido sulfúrico, y para recubrir cables eléctricos.

-Fósforo: el fosfato de aluminio se utiliza como antiácido (gástrico), en la fabricación de cerillas, forma parte de los huesos en forma de fosfato de calcio Ca3 (PO4)2

-Azufre: Se utiliza como insecticida para tratar plagas que atacan la vid, en la fabricación de cerillas y en pólvora negra y para fabricar aislantes eléctricos.

-Yodo: En forma de tintura de yodo, como antiséptico, para el tratamiento de heridas o la esterilización del agua potable. Asimismo los compuestos de yodo se utilizan para tratar ciertas condiciones de la tiroides y del corazón, como suplemento dietético (en la forma de sales yodatadas) y en los medios de contraste para los rayos X., en la fotografía, en donde el yoduro de plata es uno de los constituyentes de las emulsiones para películas fotográficas rápidas, y en la industria de los tintes, en donde los tintes a base de yodo se producen para el procesamiento de alimentos y para la fotografía en colores.

-Zinc: para proteger la superficie de los metales con una capa de cristales de fosfato de zinc, otorgando máxima resistencia a la corrosión, en la elaboración de baterías industriales, el óxido de zinc (ZnO) es utilizado en la fabricación de, pinturas, productos a base de caucho, plásticos, tintas de impresión, productos textiles, cosméticos, jabones y productos farmacéuticos (el zinc esta naturalmente presente en nuestro organismo y representa el segundo oligoelemento después del hierro). El sulfuro de zinc se utiliza principalmente en la confección de cuadrantes luminosos, pantallas de televisores, pinturas (poco tóxicas) y luces fluorescentes.

-Mercurio: en la fabricación y reparación de instrumentos científicos como termómetros, barómetros, bombas de vacío., en la producción electrolítica de hidróxidos a partir de cloruros de sodio y potasio. También en la síntesis de soda cáustica y ácido acético glacial., en la fabricación de tubos fluorescentes, tubos de rayos x, lámparas de mercurio, rectificadores, termostatos automáticos y otros relacionados, en la extracción de Oro (Au ) y Plata (Ag) por formación de amalgamas., para la fabricación de juguetes electrónicos y químicos para niños.

Los isótopos:

Los isótopos, se definen como unas de las (dos o más) variedades de un átomo que tienen el mismo número atómico, pero que se diferencian en su número de neutrones, es decir en su número “masico”. Por tanto, a pesar de ser el mismo elemento, tienen una cantidad de neutrones desigual y por lo tanto la masa varía en gran cantidad.

-Azufre (S): El azufre ocupa el lugar 16 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre, y se encuentra ampliamente distribuido tanto en estado libre como combinado con otros elementos. En estado libre lo encontramos mezclado con rocas de yeso, y rocas volcánicas. Y combinado, se encuentra en varios sulfuros metálicos, como el sulfuro de Plomo (PbS), sulfuro de Zinc (ZnS), entre otros; aunque también puede hallarse en sulfatos, como el sulfato de Bario (BaSO4), Sulfato de Estroncio (SrSO4) y el yeso (CaSO4·2H2O). Además podemos encontrarlos en moléculas de diferentes sustancias, en el huevo, la mostaza, etc.

A nivel de estructura, se conocen 18 isótopos de Azufre, cuatro de los cuales son estables: S-32 (95,02%), S-33 (0,75%), S-34 (4,21%) y S-36 (0,02%), pues los restantes tienen un periodo de vida muy corto.

-Yodo (I): En la naturaleza ocupa el puesto 62 en abundancia, a pesar de que en el agua de mar, en las rocas y en los suelos se extienda su variedad de compuestos, más que todo para formar yoduros y haluros (compuestos químicos formados por un halógeno y un metal). En menor grado, se extrae también de organismos marinos, algunas como algas, que concentran yodo en sus tejidos.

Su estructura esta hecha de 37 isótopos, solo uno de ellos estable, (yodo-127). Sin embargo los otros isótopos radioactivos, han tenido uso, a pesar de no ser estables, por ejemplo el Yodo-131 se ha empleado en el tratamiento de cáncer y otras patologías de la glándula tiroidea. Así mismo como el Yodo-129 ha sido utilizado como trazador en el agua superficial y como indicador de la dispersión de residuos en el medio ambiente.

-Cobre (Cu): En el 25 lugar de abundancia en la corteza terrestre el cobre se encuentra en estado natural, aunque a menudo, contiene pequeños porcentajes de plata, bismuto y plomo. También aparece combinado con el oxígeno, formando el óxido cuproso y cúprico, aunque quizá los minerales de cobre más conocidos son los sulfuros mixtos de hierro y cobre, como la pirita de cobre (mineral), y el sulfuro.

Se han caracterizado hasta el momento 25 isótopos de Cobre, de los cuales 2 permanecen estables Cu-63 y Cu-65, y 3 medio estables el Cu-67, Cu-64 y Cu-61, con periodos de desintegración de 61,83 horas, 12,70 horas y 3,333 horas respectivamente.

-Zinc (Zn): Ocupa el lugar 24 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. No existe libre en la naturaleza, sino que se encuentra como óxido de cinc (ZnO) en el mineral cincita y como silicato de Zinc (2ZnO·SiO2H2O) en la hemimorfita. También se encuentra como carbonato de Zinc (ZnCO3) en el mineral esmitsonita, como óxido mixto de Hierro y Zinc (Zn(FeO2)O2) en la franklinita, y como sulfuro de Zinc (ZnS) en la esfalerita.

El Zinc existente en la naturaleza está formado por cuatro isótopos estables, Zn-64 (48,6%), Zn-66, Zn-67, y Zn-68. Se han caracterizado 22 radioisótopos de los que los más estables son Zn-65 y Zn-72 con periodos de desintegración de 244,26 días y 46,5 horas respectivamente; el resto de isótopos radioactivos tienen periodos de desintegración menores que 14 horas y la mayoría menores que un segundo

Análisis de resultados:

Para el análisis de este laboratorio, vamos a comparar de manera amplia y generalizada, las reacciones de los elementos químicos con varios de sus números de oxidación, para así, poder detectar el movimiento de las propiedades periódicas así como las características comunes en cuanto a la capacidad de reacción en los elementos de un mismo grupo y/o periodo.

En una reacción de sustitución, en la que un elemento ya sea metálico o no metálico, reemplaza a un Ion hidrogenion (H+) de una molécula de agua (H2O) se presenta efervescencia, que es la forma de liberación de un gas, así como de energía, de una reacción en un medio liquido; la energía liberada proviene del rompimiento del enlace existente entre el Ion hidrogenión y el Ion hidroxilo.

Las reacciones que produjeron luz, fueron en las que el reactivo tenía poca electronegatividad, es decir era un metal (electropositivo), ya que la energía que necesita el Ion hidroxilo, para poder arrancarle el electrón de valencia a estos elementos, es mucho menor a la necesaria para mantener la unión con el Ion hidrogenion, por esto mismo, la energía restante, que no fue utilizada en la reacción, es liberada en forma de energía lumínica. Lo mismo pasa con la energía liberada en la efervescencia así como cuando se produce calor. Por esta razón es que aunque el potasio, siendo menos electronegativo que el sodio, produce una llama menos energética ya que libera mas energía en forma de calor. En el caso de una oxidación, en la que es utilizado el fuego como el catalizador, gracias a que la energía proporcionada por la llama, es en la mayoría de los casos, mas que suficiente de la necesitada en la reacción (energía utilizada por el oxigeno para atraer el elemento a oxidar), por lo que la sobrante es liberada en forma de calor; o en el caso de que sea demasiada esta energía, también puede ser liberada en forma de luz como lo fue en el caso del aluminio, donde al ser su electronegatividad relativamente baja, no es necesaria mucha energía para que el oxigeno, pueda hacer enlace con el aluminio. El fenómeno antes explicado, podría parecer un contradicción ante el hecho que al oxidarse el calcio que es un elemento incluso más electropositivo que el aluminio, no haya emitido luz, esto se debe a que el calcio utiliza parte de la energía sobrante para hacer una reorganización compleja molecularmente suficiente para producir un cambio físico tan drástico como el pasar de un color plateado opaco, a uno blanco rojizo.

Un elemento se sublima cuando la energía proporcionada a este es mayor a la suma del calor latente de fusión, y del calor latente de vaporización o energía, ya que si esta es menor, no será suficiente para que la vibración que van adquiriendo los átomos del elemento venza las fuerzas de cohesión entre estos, y escapen en forma de moléculas gaseosas. Tal es el caso del yodo, el cual al tener puntos de fusión y ebullición tan bajos, necesita de muy poca energía para vencer las fuerzas de cohesión, que es suministrada sin fácilmente por la llama a la que se expuso en el experimento.

El yodo al tener un peso atómico tan alto, al vibrar libera más energía que la que liberaría un elemento con un peso atómico promedio, la cual se manifiesta en una llama muy energética color violeta.

-Grupo VII-A

La Familia de los halógenos, es la familia compuesta por cinco elementos químicamente activos: el Flúor, cloro, bromo, yodo y Astato. El nombre halógeno, o formador de sal, se refiere a la propiedad que tienen cada uno de los elementos de la familia de formar sales, un ejemplo claro de esto, es la capacidad de reacción que tienen con el sodio (metal reactivo del grupo I-A) ya que forman una sal parecida al cloruro de sodio (sal común). Los números de oxidación de estos elementos, coincide e -1, ya que tienen 7 electrones de valencia, sin embargo pueden reaccionar con +/-1, 3, 5,7; como en el caso del cloro. Todos los halógenos, tienen una configuración electrónica de Ns2p5.

De acuerdo a la siguiente tabla de datos, podemos percibir como a medida que se desciende en la tabla periódica, los puntos de ebullición y de fusión aumentan, y por lo mismo se hacen más reactivos, de esta forma el Astato, es el elemento mas reactivo del grupo.

El radio, volumen y, por lo tanto, el tamaño atómico, son propiedades periódicas que aumentan conforme el numero atómico aumenta, es decir que el elemento de menor tamaño atómico es el Flúor y el de mayor tamaño atómico es el Astato. (Ver grafica No 1). El tamaño atómico, depende de la electronegatividad del elemento, y son inversamente proporcionales, ya que mientras más fuerza ejerza el núcleo a los electrones, o mas electronegatividad tenga, mas cerca de este van a estar las partículas, es decir el radio volumen y tamaño atómicos van a ser menores; es por esto, que al aumentar Z en el grupo, la electronegatividad varia en función inversa a tamaño atómico, por lo tanto disminuye (ver grafica No 2).

-Periodo 6:

En la tabla periódica, el grupo de átomos pertenecientes a un mismo periodo, se caracterizan por que su número de niveles energéticos es el mismo, y cada nivel está dividido en distintos sub-niveles, que se van llenando a medida que aumenta el número atómico. Al periodo seis, pertenecen el Cesio, Bario, Talio, Plomo, Bismuto, Polonio, Astato, Radón, elementos que tienen en común el número de niveles, por lo que sus electrones de valencia se encuentran en el nivel número seis independientemente de los sub-niveles contenidos en este.

En el periodo, también hay una variación continua de las propiedades periódicas, por ejemplo, la electronegatividad se mueve de izquierda a derecha y según aumenta el número atómico, es decir que el elemento menos electronegativo de este periodo es el litio, y conforme aumenta Z, la electronegatividad de los elementos asciende. (ver grafica No 3)

Al igual que en las familias, el tamaño atómico, ligado a este el radio y volumen atómicos, y la electronegatividad, son inversamente proporcionales y, por lo tanto, se mueven de manera inversa en la tabla periódica, por esto el tamaño, radio y volumen atómicos se mueven de derecha a izquierda, siendo esta ves el litio el de mayor tamaño atómico, (por lo mismo que es el de menor electronegatividad). (Ver grafica No 4).

Podemos notar, que en el inicio del periodo seis, esa el elemento menos electronegativo de la tabla periódica, y en el grupo VII, se encuentra el de mayor electronegatividad de la tabla periódica: el flúor.

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