UNIDAD 1 Teoría Cuántica y Estructura Atómica

El átomo y sus partículas subatómicas.

Rayos Catódicos y Rayos anódicos

Radioactividad

Base experimental de la teoría cuántica.

Teoría ondulatoria de la luz

Radiación del cuerpo negro y teoría de Planck.

Efecto fotoeléctrico.

Espectros de emisión y series espectrales.

Teoría atómica de Bohr.

Teoría atómica de Bohr-Sommerfeld.

Teoría cuántica.

Principio de dualidad. Postulado de De Broglie.

Principio de incertidumbre de Heissemberg.

Ecuación de onda de Schrödinger.

Significado físico de lafunción de onda

Números cuánticos y orbitales atómicos

Distribución electronica en sistemas polielectrónicos.

Principio de Aufbau o de construcción.

Principio de exclusión de Pauli.

Principio de máxima multiplicidad de Hund.

Configuración electronica de los elementos y su ubicación en la clasificación periódica.

Principios de Radioactividad

Aplicaciones tecnológicas de la Emisión electrónica de los átomos.

UNIDAD 2 Los Elementos Químicos y su Clasificación

2.1 Características de la clasificación periódica moderna de los elementos.

2.1.1 Tabla periódica larga y Tabla cuántica.

2.2 Propiedades atómicas y su variación periódica.

2.2.1 Carga nuclear efectiva.

2.2.2 Radio atómico, radio covalente, radio iónico.

2.2.3 Energía de ionización.

2.2.4 Afinidad electronica.

2.2.5 Número de oxidación.

2.2.6 Electronegatividad.

2.3 Aplicación: Impacto económico o ambiental de algunos elementos.

2.3.1 Abundancia de los elementos en la naturaleza.

2.3.2 Elementos de importanciaeconómica.

2.3.3 Elementos contaminantes.

Unidad 3 Enlace Químico

3.1 Introducción.

3.1.1 Concepto de enlace químico.

3.1.2 Clasificación de los enlacesquímicos.

3.1.3 Aplicaciones y limitaciones de la Regla del Octeto.

3.2 Enlace Covalente.

3.2.1 Teorías para explicar el enlace covalente y sus alcances.

3.2.1.1 Teorías del Enlace de Valencia.

3.2.1.2 Hibridación y Geometría molecular.

3.2.1.3 Teoría del Orbital Molecular.

3.3 Enlace iónico.

3.3.1 Formación y propiedades de los compuestos iónicos.

3.3.2 Redes cristalinas.

3.3.2.1 Estructura.

3.3.2.2 Energía reticular.

3.4 Enlace metálico.

3.4.1 Teoría de las bandas. Teoría para explicar el enlace y propiedades (conductividad) de un arreglo infinito de átomos de un elemento en un cristal.

3.4.2 Clasificación de los sólidos en base a su conductividad eléctrica: aislante, conductor, semiconductor.

3.5 Fuerzas intermoleculares y su influencia en las propiedades físicas.

3.5.1 Van der Waals.

3.5.2 Dipolo-dipolo.

3.5.3 Puente de hidrógeno.

3.5.4 Electrostáticas.

3.6 Aplicaciones

Unidad 4 Los Compuestos Químicos 4.1 Clasificación y Nomenclatura de los Compuestos Inorgánicos.

4.1 Clasificación y Nomenclatura de los compuestos inorgánicos

4.1.1 Óxidos

4.1.2 Hidróxidos

4.1.3 Hidruros

4.1.4 Ácidos

4.1.5 Sales

4.2 Reacciones químicas de los compuestos inorgánicos de:

4.2.1 combinación.

4.2.2 descomposición.

4.2.3 sustitución (Simple y doble)

4.2.4 neutralización.

4.2.5 óxido-reducción.

4.3 Impacto económico y ambiental de los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos.

4.3.1 Aplicaciones de las reacciones químicas en procesos industriales, de control de contaminación ambiental, etc.)

Unidad 5 Estequimetría

5.1 Conceptos de estequiometría

5.1.1 Conceptos de elemento, compuestos y mezclas.

5.1.2 Número de Avogadro, átomo-gramo, mol-gramo, volumen-gramo-molecular.

5.1.3 Leyes estequiométricas.

5.2 Balanceo de reacciones químicas método oxido reducción, ion-electrón

5.3 Cálculos estequiométricos con reacciones químicas

UNIDAD 1 “Teoría Quántica y Estructura atómica”

1.1 El átomo y sus partículas subatómicas

Es la porción más pequeña de la materia.

El primero en utilizar este término fue Demócrito, porque creía que todos los elementos deberían estar formados por pequeñas partículas que fueran INDIVISIBLES. Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE.

Hoy día sabemos, que los átomos no son, como creía Demócrito, indivisibles. De hecho están formados por partículas. ESTRUCTURA ATOMICA.

PARTICULAS FUNDAMENTALES.

El átomo esta formado de partículas de muchos tipos:

PARTICULAS ESTABLES

PARTICULAS INESTABLES

PARTÍCULAS COMPUESTAS

PARTICULAS ESTABLES.

ELECTRÓN. Son aquellas partículas que se encuentra fuera del núcleo y tienen carga negativa. El electrón se caracteriza como partícula finita, de carga negativa y con propiedades ondulatorias. En 1891 Stoney les llamó electrones.

En 1897 Joseph J. Thomson determinó la relación carga/masa (e/m) del electrón estudiando la desviación de los rayos Catódicos por los campos eléctrico y magnético.

PROTON. Son partículas que se encuentran en el núcleo y tienen carga positiva. Fue por medio del experimento de los rayos catódicos se demostró la existencia de estas partículas positivas, con masa y carga. Estas partículas llamadas protones son idénticos al núcleo de hidrógeno.

NEUTRON. Se encuentran junto con los protones en el núcleo y su carga es neutra. Fueron predichos en 1920 por Bothe y Becher, y en 1932 Chadwick demostró su existencia. Los protones fuera del núcleo son muy inestables.

PARTICULAS INESTABLES.

POSITRON. Fue en 1932 cuando Anderson descubrió accidentalmente el positrón al estudiar los campos magnéticos sobre las partículas expulsadas de los núcleos por la absorción de rayos cósmicos. Son partículas iguales que los electrones, pero en sentido opuesto.

NEUTRINO Y ANTINEUTRINO. Partículas pequeñísimas de masa y carga cero, su existencia fue postulada para explicar la pérdida de energía durante la emisión radioactiva de electrones y protones. No existen pruebas concretas de su existencia.

MESÓN. Yukawa postuló su existencia para explicar las energías de enlace descubiertas en los efectos producidos por los rayos cósmicos sobre la materia.

PARTICULAS COMPUESTAS.

DEUTERÓN. Es un núcleo de Deuterio o Hidrógeno pesado, y guarda la misma relación que el Hidrógeno y el protón. Se usa en bombardeo de núcleo.

PARTICULAS ALFA. Es un núcleo de Helio de 2 cargas positivas. Es el producto de la desintegración radioactiva.

Rayos Catódicos y Anódicos

RAYOS CATÓDICOS.

Para estudiar la naturaleza de los rayos catódicos, Thomson utiliza un tubo de rayos catódicos, en el que el ánodo, situado cerca del cátodo, consiste en un cilindro metálico con un orificio muy estrecho y taladrado a lo largo del eje (ver anexo A). Detrás del ánodo se encuentran dos placas metálicas entre las que puede producirse un campo eléctrico vertical X al aplicara las mismas una diferencia de potencial, y en el extremo del tubo esta situada una pantalla de sulfuro de cinc, la cual fluoresce en el punto en que llega el haz de rayos catódicos. Mediante un electroimán aplicado externamente puede producirse un campo magnético horizontal H que actuara perpendicularmente al campo eléctrico y exactamente en la misma región de éste.

Al aplicar el campo eléctrico el haz de rayos catódicos se desvía algo hacia la placa positiva situada, por ejemplo, encima, pero el hecho de no ser dirigido totalmente a ella muestra que estos rayos tienen inercia, esto es, que están constituidos por partículas que tienen masa y, naturalmente, carga eléctrica negativa. Estas partículas fueron denominadas electrones. Si se aplica el campo magnético y no el eléctrico, y el polo Norte esta situado delate y el polo Sur detrás, la desviación de los rayos catódicos tienen lugar también verticalmente pero hacia abajo.

Entonces denominamos rayos catódicos, cuando en el tubo existe un obstáculo cualquiera aparece su sombra nítida dentro de la fluorescencia de la pares, lo cual indica que ésta es producida por una especie de rayos que salen del cátodo en dirección perpendicular a su superficie.

PROPIEDADES DE LOS RAYOS CATÓDICOS.

a. Están formados por partículas materiales cargadas negativamente.

b. Esas partículas reciben el nombre de electrones y constituyen las unidades de electricidad negativa.

c. Los rayos catódicos viajan en línea recta, independientemente de la posición del ánodo.

d. Son desviados por campos eléctricos y magnéticos, lo cual demuestran que son de naturaleza eléctrica.

e. La velocidad de los electrones que forman los rayos catódicos varía desde 10.000 hasta 293.000 kilómetros por segundo.

f. La masa de cada electrón resulto ser de 1/1837, con relación al átomo de hidrógeno. Esta masa se determino de acuerdo con la relación carga sobre masa (e/m).

RAYOS POSITIVOS O ANÓDICOS.

Si se tiene un tubo de descarga con el cátodo perforado se observa detrás del mismo un haz fino de luz producido por unos rayos que pasan a través del mismo un haz fino de luz producido por unos rayos que pasan a través de la perforación, los cuales fueron denominados primeramente por Goldstein (1886) rayos canales y que por estar constituidos por partículas materiales cargadas positivamente de denominan ahora rayos positivos. Los rayos positivos están formados por átomos o moléculas del gas que en el choque con los rayos catódicos han perdido algún electrón, y que por originarse en cualquier punto del espacio gaseoso entre los electrodos poseen velocidades distintas; los iones formados junto al ánodo, al caer hacia el polo negativo perforados quieren velocidades superiores a los iones formados mas cerca de este último electrodo. Las distintas velocidades poseídas por las partículas integrantes de los rayos positivos dan lugar a que se desvíen diferentemente en los campos eléctricos y magnéticos y a que no pueda aplicarse el método de los campos eléctrico y magnético cruzados utilizado por Thomson para hallar la carga específica de los electrones. Para resolver esta dificultad Thomson (1911) emplea campo eléctrico y magnético paralelos en le llamado método de las parábolas.

Radioactividad

En este proceso, los núcleos de los átomos de los elementos se desintegran, con formación de nuevos núcleos que corresponden a nuevos elementos y liberación de energía.

En el año 1.896 Henry Becquerel (físico francés), descubrió accidentalmente el proceso de RADIOACTIVIDAD, el cual puede ser natural (en los núcleos de los átomos de los elementos inestables) y artificial (en los núcleos de los átomos de los elementos estables que necesitan ser bombardeados con partículas).

La radiactividad natural es el proceso mediante el cual los núcleos pesados e inestables de algunos materiales radiactivos se desintegran de forma espontánea y producen nuevos núcleos de nuevos elementos y liberación de energía.

La radiactividad artificial Consiste en la ruptura de los núcleos de átomos estables a través del bombardeo con partículas ligeras aceleradas, dando origen a nuevos núcleos que corresponden a nuevos elementos.

Rutherford logró en 1.919, la primera transmutación artificial, al bombardear con partículas alfa, núcleos de átomo de nitrógeno

En 1898, los esposos Curie dedicados al estudio de la radiación observada por Becquerel (físico) descubrieron dos nuevos elementos radiactivos: el Polonio y el Radio, caracterizados por:

Ionizar gases

Impresionar placas fotográficas

Originar destellos de luz en algunas sustancias.

CARACTERÍSTICAS DEL FENÓMENO RADIACTIVO.

La emisión de radiaciones por parte de un material radiactivo no depende del estado de libertad o combinación en que se encuentre, es decir, puede estar como una sustancia simple o como parte de un compuesto y este hecho no incidirá en tales emisiones.

La radiación es independiente de factores que intervienen en las reacciones químicas.

Las radiaciones pueden impresionar placas fotográficas, atravesar materiales opacos, ionizar los gases y producir reacciones químicas.

NATURALEZA DE LA RADIOACTIVIDAD

Las radiaciones pueden ser:

Rayos Alfa (a)

Estos rayos están formados por partículas materiales que presentan dos unidades de carga eléctrica positiva y cuatro unidades de masa. Son ligeramente desviados por la acción de fuerzas magnéticas intensas. Pueden ionizar los gases y penetrar en la materia.
Son detenidos o absorbidos cuando se pone ante ellos una lámina metálica. Su velocidad inicial varía desde 109 cm. /s hasta 2 x 109 cm. /s.

Rayos Beta (b)

Las partículas que conforman a los Rayos Beta son de una masa menor a la de los rayos alfa y son de unidad de carga negativa. Se proyectan a grandes velocidades, aunque ésta depende de la fuente de procedencia y en ocasiones son emitidos a una velocidad próxima a la de la luz (3x1010 cm. /s).

Rayos Gamma (g)

Su naturaleza es diferente a los rayos alfa y beta, puesto que no experimentan desviación ante los campos eléctricos y/o magnéticos. A pesar de que tienen una menor longitud de onda que los rayos X, actúan como una radiación electromagnética de igual naturaleza.
Pueden atravesar láminas de plomo y recorre grandes distancias en el aire. Su naturaleza es ondulatoria y no tiene carga eléctrica, ni masa. Su capacidad de ionización es más débil en comparación con los rayos alfa y beta.

Es innegable que la radiación afecta a los organismos. Los puede enfermar o curar. Puede ser administrada como cualquier medicina, o tener efectos letales. Depende de cómo se use.

Sabemos que la ionización que produce puede dar lugar a transformaciones químicas en la materia. Si es materia viva, necesariamente interfieren estos cambios con las funciones vitales de las células que reciben radiación. Además, como algunas radiaciones pueden penetrar en el cuerpo, dichos efectos se pueden producir en órganos o en células de muy diversas funciones.

Para tener un punto de comparación, pensemos en una quemadura de Sol. Los rayos solares, principalmente los ultravioleta, producen en la piel efectos que todos conocernos; alguna vez hemos sentido el ardor de una quemadura por exposición al Sol demasiado prolongada. Se debe a los cambios químicos inducidos en la piel, que inclusive pueden matar a las células, como también todos hemos experimentado al desprenderse luego la piel inútil. Ahora bien: la piel está diseñada para soportar estos efectos, pues, al dañarse, fácilmente puede ser reemplazada por nuevas células que a su vez asumen la función vital de proteger al resto del organismo. Las radiaciones ionizantes que penetran en el cuerpo pueden causar daños equivalentes en los tejidos, pero no sólo de la piel, sino de todo el cuerpo. Estos daños pueden resultar permanentes si suceden en órganos que no se regeneran, como el cerebro.

Los efectos que la radiación produce en los organismos se han clasificado en cuatro grupos: los que producen cáncer, las mutaciones genéticas, los efectos en los embriones durante el embarazo y las quemaduras por exposiciones excesivas. Los primeros dos grupos generalmente suceden cuando las dosis recibidas son pequeñas, pero prolongadas. El tercero, en una etapa de la vida en que el organismo es especialmente sensible por estarse reproduciendo sus células a ritmo acelerado. El cuarto sucede en accidentes o en las explosiones nucleares. Se han hecho muchos estudios sobre cómo cada uno de estos casos se presenta bajo diversas circunstancias.

1.2 Base Experimental de la teoría Cuántica

El modelo de la teoría cuántica (originada en los estudios de Max Planck y desarrollada luego magistralmente por Einstein) sostiene:

• Los electrones giran en orbitales, que es la zona del espacio que rodea al núcleo.

• Dentro del orbital el electrón cambia la dirección del movimiento pero no su sentido.

• Todos los electrones presentes en un átomo no tienen la misma energía, los que se mueven más cerca del núcleo tienen menos energía que los que están más alejados de él. Por lo tanto, se pueden definir distintos niveles de energía y cada nivel presenta, a su vez, subniveles. Éstos pueden tener de 1 a 7 orbitales. Cada orbital no posee más de 2 electrones.

• Los metales reactivos son plateados, se funden a altas temperaturas, buenos conductores de electricidad y calor, reaccionan fácilmente frente a otras sustancias y se oxidan al tomar contacto con el aire. Por ej.: el calcio, el sodio, el magnesio y el potasio.

• Los metales no reactivos son: 1) los metales de transición, los cuales, a diferencia de los reactivos son brillantes y de consistencia dura, como la plata, el zinc, oro, cobre, titanio, tungsteno; y 2) los metales pobres que tienen aspecto similar a los reactivos pero baja reactividad, o sea, que no reaccionan fácilmente ante otras sustancias. Por ej.: el aluminio, estaño, antimonio, bismuto.

Importancia biológica del calcio: participa en la contracción muscular, forma el tejido óseo y los dientes. Es importante durante el embarazo, la lactancia, infancia y el período de crecimiento. También en la tercera edad para evitar la osteoporosis y, por consiguiente, la fractura de los huesos en las personas mayores. Hay alimentos como los lácteos y sus derivados (leche, yoghurts, quesos) que incorporan al organismo las dosis necesarias, por eso es importante una buena alimentación,. rica en calcio, ya que si bien se pueden tomar pastillas como suplementos del calcio, la asimilación ideal del mismo por el organismo es mediante los alimentos.

Importancia biológica del sodio: el sodio es indispensable como alimento, no podemos vivir sin sodio y sin glucosa. Por supuesto que el exceso de sodio también es malo, provoca hipertensión (con riesgo en los enfermos cardiovasculares), manchas en los dientes, retención de líquidos (ya que fija el agua en el organismo), deshidratación. Por eso una dieta sana significa sodio (cloruro de sodio) en las comidas, pero en pequeñas o escasas cantidades. En los días de mucho calor de verano es aconsejable administrar alimentos salados (caldos, jamón crudo) a las personas mayores y a los niños a fin de evitar las secuelas del golpe de calor y la deshidratación.

El bicarbonato de sodio también tiene aplicaciones medicinales en la salud bucal (limpieza y conservación de los dientes y de su estado sanitario) y en aplicaciones medicinales ante trastornos del aparato digestivo.

Importancia biológica del potasio: participa también en la contracción muscular ya que su carencia o su disminución (producida por la práctica intensa de un deporte) ocasiona severos calambres. Con una rápida administración de potasio (por ej. bananas) se suple momentáneamente esa carencia.

1.2.1 Teoría Ondulatoria de la luz

Esta teoría esta creada por Huygens define la luz como un movimiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido. Como las ondas se trasmiten en el vacío, supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el Eter, presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales.

Esta teoría tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter.

Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton y básicamente por que el éter era muy hipotético. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria". Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria.

Huygens propone que la luz es una onda basándose en las observaciones siguientes:

• La masa de los cuerpos que emiten luz no cambia.

• La propagación rectilínea y la reflexión se pueden explicar ondulatoriamente

• La refracción es un fenómeno típico de las ondas.

No obstante quedaban cosas sin explicar:

• No se encontraba una explicación para la propagación de la luz en el vacío, ya que todas las ondas necesitaban un medio material para propagarse, y el éter era muy hipotético.

• 
  No se habían observado en la luz los fenómenos de interferencia y de difracción que ya se conocían para las ondas.

La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.

La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.

1.2.2 Radiación de 'cuerpo negro' y Teoría de Plank

Es posible tomar fotografías durante la noche sin la ayuda de un flash. Esto se puede hacer usando una película sensible a la radiación infrarroja y es posible debido al hecho que los objetos emiten radiación electromagnética de acuerdo a su temperatura. Estas ondas electromagnéticas son emitidas a todas las frecuencias, pero hay unas frecuencias que dominan más que otras dependiendo de la temperatura. Si uno hace una gráfica de la intensidad de las ondas electromagnéticas con respecto a su frecuencia el resultado es los que se llama la distribución espectral o simplemente el espectro.
 

(Espectro de emisión de un cuerpo negro)

En el caso de cuerpos en equilibrio térmico el espectro tiene una forma característica que consiste en una función que crece de forma continua y monótona hasta alcanzar un máximo y luego decrece para altas frecuencias. Entre mayor sea la temperatura del cuerpo mayor será la frecuencia donde aparece el punto máximo del espectro. La forma teórica del espectro de radiación de un cuerpo en equilibrio únicamente depende del parámetro temperatura, fue descubierta por Max Plank en 1900 y constituyó el comienzo de la mecánica cuántica.

La fotosfera del Sol tiene una temperatura de 5000 grados centígrados y se ve de color amarillo por que el pico de su espectro aparece ubicado precisamente en el lugar correspondiente a la longitud de onda del color amarillo, mientras que el cuerpo humano normalmente a 37 grados centígrados se ve sólo en el infrarrojo.

RADIACION DE UN CUERPO NEGRO.

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. El campo de la radiación electromagnética ocupa toda la cavidad. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes, la cantidad de energía que emiten los átomos por unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, cuando la radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con las paredes, la densidad de energía del campo electromagnético es constante. Los experimentos han demostrado que en el equilibrio, la radiación electromagnética encerrada tiene una distribución de energía bien definida; es decir: a cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente de su material. La densidad de energía correspondiente a la radiación con frecuencia entre 
se escribe 

es la densidad de energía por intervalo unitario de frecuencias, denominado a veces densidad de energía monocromática. 

En la figura 3 se ilustra la variación observada de 
con la frecuencia 

para dos temperaturas. Lummer y Pringsheim fueron los primeros en obtener experimentalmente curvas como éstas en 1899. Se puede ver en las curvas que para cada temperatura la densidad de energía presenta a cierta frecuencia un máximo pronunciado. Obsérvese también que la frecuencia para la cual la densidad de la energía es máxima aumenta al aumentar la temperatura. Esto explica el cambio de color de un cuerpo radiante a medida que su temperatura varía. Si se abre un pequeño agujero en una de las paredes de la cavidad, parte de la radiación escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a temperatura muy alta y la intensidad de la radiación de equilibrio dentro de la cavidad es alta, pero se ve completamente negro a temperaturas bajas cuando la intensidad de la radiación de equilibrio es despreciable en la región visible del espectro. Es por esa razón que se denomina a al radiación que sale de la cavidad radiación de cuerpo negro. El problema de encontrar qué mecanismo hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía de la radiación de cuerpo negro, dio lugar a la física cuántica. Hacia fines del siglo pasado todas las tentativas de explicar esta distribución de energía, usando los conceptos conocidos entonces, habían fracasado completamente. El físico alemán Max Planck (1858-1947) sugirió alrededor de 1900 que si la radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las paredes, debía haber una correspondencia entre la distribución de energía de la radiación y las energías de los átomos de la cavidad. Planck supuso, como modelo para los átomos radiantes, que los mismos se comportan como osciladores armónicos y que cada uno oscila con una frecuencia dada 

. Planck sugirió como segunda hipótesis que: cada oscilador puede absorber o emitir energía de radiación en una cantidad proporcional a su frecuencia 

. Esta última condición no se exige en la teoría clásica del electromagnetismo, expresadas por las ecuaciones de Maxwell, la cual permite una emisión o una absorción continua de energía. Si E es la energía absorbida o emitida en un solo proceso de interacción de un oscilador con la radiación electromagnética, la hipótesis de Planck establece que: 

Donde h es una constante de proporcionalidad que se supone sea la misma para todos los osciladores. Por lo tanto, cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad 
. La ecuación anterior indica que la energía de los osciladores atómicos, está cuantizada. Esto significa que la energía de un oscilador 
sólo puede tener ciertos valores que son:
suponiendo que la energía mínima del oscilador es cero. De modo que los posibles valores de la energía de un oscilador de frecuencia 

son: 
donde n es un entero positivo. Como sabemos, la energía de un oscilador es proporcional al cuadrado de su amplitud y podemos hacer que un oscilador de frecuencia dada tenga una energía elegida arbitrariamente ajustando la amplitud de las oscilaciones en forma apropiada. Por consiguiente la idea de Planck fue una suposición, que no se podía explicar usando conceptos clásicos; estaba justificada solamente porque funcionaba y porque los físicos de la época no tenían explicación mejor. Aún no tenemos una explicación mejor; debemos aceptar la cuantización de algunas magnitudes físicas como un hecho fundamental de la naturaleza. 

Aplicando algunas consideraciones de naturaleza estadística, Planck obtuvo para la densidad de energía en la radiación de un cuerpo negro, la expresión: 

Donde K es la constante de Boltzman. Esta expresión, que concuerda sorprendentemente bien con los valores experimentales de 

a muy diversas temperaturas, ha sido aceptada como la expresión correcta para la radiación de cuerpo negro. Se denomina ley de radiación de Planck. 

El valor obtenido para la constante de Planck h, es: 

La constante de Planck es una de las más importantes de la física. En algunas ocasiones es preferible expresar la densidad de energía monocromática en función de la longitud de onda en vez de la frecuencia. Definimos 
conforme a la relación 
.

El signo menos se debe a que 
tienen signos opuestos mientras que 
son positivas. Como, tenemos: 

Reemplazando 

por el valor dado, y poniendo 

, obtenemos finalmente: 

En la figura 5 se muestra el gráfico de 

para diversas temperaturas. Presenta un pico pronunciado para una longitud de onda que depende de la temperatura. 

TEORIA DE PLANCK.

Max Planck estudia la energía radiante y llegó a comprobar que las variaciones de temperatura se hacen por "saltos", como por granitos de energía, a los que llamó "cuantos".

En 1905 Einstein llegó a comprobar que la energía de un haz luminoso está distribuida en una onda electromagnética y avanza en "paquetes" de electrones que llamó "fotones".

Si en este momento nos volviésemos a preguntar que es la luz diríamos ahora que es una energía radiante contenida en infinitos "paquetes" de electrones llamados fotones que irradian la luz y, con un resto de energía se desplazan por el espacio.

El punto de vista actual, es aceptar el hecho que la luz parece tener una doble naturaleza. Los fenómenos de propagación de la luz encuentran mejor explicación dentro de la teoría ondulatoria, mientras que la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorción y de emisión, se explican mejor con la teoría corpuscular.

Constante de Planck, constante física fundamental simbolizada por la letra h. Su existencia fue descubierta en 1900 por el físico alemán Max Planck. Hasta entonces se creía que todas las formas de radiación electromagnética estaban constituidas por ondas. Planck observó ciertas desviaciones de la teoría ondulatoria en el caso de las radiaciones emitidas por los llamados cuerpos negros, que absorben y emiten radiación de forma perfecta. Planck llegó a la conclusión de que la radiación electromagnética se emite en unidades discretas de energía, llamadas cuantos. Esta conclusión fue el primer enunciado de la teoría cuántica. Según Planck, la energía de un cuanto de luz es igual a la frecuencia de la luz multiplicada por una constante. Desde entonces, la teoría de Planck ha sido verificada experimentalmente en muchas ocasiones, y el desarrollo de la teoría cuántica ha producido un cambio radical en el concepto que se tiene en física de la luz y de la materia; en la actualidad, se considera que ambas combinan las propiedades de una onda y de una partícula. Así, la constante de Planck se ha vuelto tan importante para la investigación de las partículas de materia como para los cuantos de luz, ahora denominados fotones. La primera medida fiable de la constante de Planck (1916) se debió al físico estadounidense Robert Millikan. El valor actualmente aceptado es h = 6,626 × 10-34 julios·segundo.

1.2.3 Efecto Fotoeléctrico

Formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos sólo depende de la frecuencia de la luz incidente, y no de su intensidad.

En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto de partículas, contribuyó al desarrollo de la teoría cuántica.

El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos: la fotoionización, la fotoconducción y el efecto fotovoltaico. La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores (véase Semiconductor). En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.

1.2.4 Espectros de emisión y series espectrales

Cuando un elemento químico en forma gaseosa o de vapor recibe energía, bien por calentamiento a alta temperatura, bien por una descarga eléctrica de alta tensión, emite luz que puede ser analizada mediante un espectroscopio.

Multitud de observaciones de este tipo fueron realizadas durante el siglo XIX, obteniéndose una secuencia de líneas que resultó ser característica del elemento empleado como fuente de luz. Los espectros de emisión se convirtieron así en métodos de identificación de los elementos y de los átomos que los constituyen, por lo cual se les denomina también espectros atómicos. Hacia 1860 Kirchhoff y Balmer analizando la luz proviniente del Sol mediante un espectroscopio consiguieron demostrar la existencia en su atmósfera de diferentes elementos químicos, entre ellos el hidrógeno.

La aplicación del estudio espectroscópico a la determinación de la composición de las sustancias (análisis espectroquímico) se desarrolló rápidamente. Así se consiguió determinar la composición de los meteoritos, y analizando por este procedimiento el vapor de agua mineral se llegó a descubrir la existencia de dos nuevos elementos, el rubidio y el cesio.

El espectro del hidrógeno, por su sencillez, atrajo la atención de diferentes investigadores. Se trataba de una serie formada por quince líneas, que se van juntando cada vez más según se recorre la serie desde la región del rojo hacia la del violeta, y cuyas longitudes de onda pudieron ser medidas con bastante precisión. Estudiando esta serie, J. J. Balmer en 1885 encontró una fórmula que permitía reproducir sus líneas componentes una a una. La sencilla fórmula de Balmer era:

siendo B una constante igual a 3 646 Å y n un número entero que toma el valor 3 para la primera línea (Ha), 4 para la segunda (Hb), 5 para la tercera (Hg) y así sucesivamente. Aun cuando Balmer no dio ninguna explicación a su fórmula, fue capaz de descubrir el orden y la regularidad existente detrás de los datos experimentales.

Algunos años después, Rydberg propuso otra expresión equivalente para la fórmula de Balmer:

donde RH es la llamada constante de Rydberg cuyo valor es de 109 677,6 cm-1 y n toma los valores 3, 4, 5... La ventaja de esta expresión frente a la de Balmer consistía en sugerir la posibilidad de expresar el inverso de la longitud de onda de una línea dada o número de ondas como la diferencia entre dos términos numéricos T1 y T2:

a medida que n aumenta T2 se hace cada vez más

T1, que por esta razón se denomina límite de la serie.

Los términos T1 y T2 se denominan términos espectrales y la ecuación (16.3) se conoce como principio de combinación de Rydberg y Ritz. La ecuación de Rydberg y el principio de combinación fueron más tarde generalizados en la forma:

y permitieron describir, además de la de Balmer (n1 = 2; n2 = 3,4,5 ... ) otras series de líneas del espectro del hidrógeno que se conocen por los nombres de sus descubridores. Así, la serie de Lyman, situada en la región del ultravioleta, es descrita por la fórmula de Rydberg cuando se considera n1 = 1 y n2 = 2,3,4 ... En la serie de Paschen n1 = 3 y n2 = 4,5,6 ... ; en la de Brackett n1 = 4 y n2 = 5,6,7... y en la de Pfund n1 = 5 y n2 = 6,7,8. Estas tres últimas series están situadas en la región del infrarrojo.

1.3 Teoría Atómica de Bohr

Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr (véase Teoría cuántica). Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura atómica, determinan el comportamiento químico del átomo.

Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los más pesados (argón, criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos químicos. De forma equivalente, a los elementos como el flúor, el cloro o el bromo sólo les falta un electrón para que su capa exterior esté completa. También se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen electrones.

Las capas atómicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los primeros 18 elementos de la tabla periódica se añaden de forma regular, llenando cada capa al máximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrón más externo comienza una nueva capa antes de que se llene por completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad, ya que los electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la repetición regular de las propiedades químicas de los átomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la tabla periódica.

Resulta cómodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del núcleo como si fueran planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visión es mucho más sencilla que la que se mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posición de un electrón en el átomo sin perturbar su posición. Esta incertidumbre se expresa atribuyendo al átomo una forma de nube en la que la posición de un electrón se define según la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del núcleo. Esta visión del átomo como “nube de probabilidad” ha sustituido al modelo planetario.

1.3.1 Teoría atómica de bohr - sommerfeld

El físico danés Niels Borh, postula que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Para volver a su nivel de energía original es necesario que el electrón emita la energía absorbida ( por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear. En si su modelo estaba basado en el movimiento del sistema solar.

Sommerfeld Investigó la teoría de los espectros y modificó el modelo atómico de Bohr con la introducción de órbitas elípticas para explicar la estructura fina de las rayas espectrales basadas en las teorias cuántica y de la relatividad.

Así mismo llevó a cabo diversos estudios acerca del carácter ondulatorio de los rayos X, la propagación de las ondas radioeléctricas y la formulación de la teoria del giróscopo, es decir, cuerpo sólido simétrico que gira alrededor de un eje que pasa por su centro de gravedad; y del estado metálico, así como trabajos sobre acústica y telegrafía sin hilos.

En 1928, sugirió que los electrones en los metales se encuentran en una disposición cuántica en la que los niveles de baja energía disponibles para los electrones se hallan casi completamente ocupados. En el mismo año, el físico suizo estadounidense Felix Bloch, y más tarde el físico francés Louis Brillouin, aplicaron esta idea en la hoy aceptada 'teoría de la banda' para los enlaces en los sólidos metálicos.

De acuerdo con dicha teoría, todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que unirse a los átomos vecinos. Por ello se requiere un amplio reparto de electrones entre los átomos individuales. El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes. Esta superposición va recorriendo toda la muestra del metal, formando amplios orbitales que se extienden por todo el sólido, en vez de pertenecer a átomos concretos. Cada uno de estos orbitales tiene un nivel de energía distinto debido a que los orbitales atómicos de los que proceden, tenían a su vez diferentes niveles de energía. Los orbitales, cuyo número es el mismo que el de los orbitales atómicos, tienen dos electrones cada uno y se van llenando en orden de menor a mayor energía hasta agotar el número de electrones disponibles. En esta teoría se dice que los grupos de electrones residen en bandas, que constituyen conjuntos de orbitales. Cada banda tiene un margen de valores de energía, valores que deberían poseer los electrones para poder ser parte de esa banda. En algunos metales se dan interrupciones de energía entre las bandas, pues los electrones no poseen ciertas energías. La banda con mayor energía en un metal no está llena de electrones, dado que una característica de los metales es que no poseen suficientes electrones para llenarla. La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica.

1.4 Teoría Cuántica

Teoría basada en la utilización del concepto de unidad cuántica para describir las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede emitir o absorber energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. Otra contribución fundamental al desarrollo de la teoría fue el principio de incertidumbre, formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica.

1.4.1 Principio de dualidad. Postulado de Broglie

Principio de Dualidad

Posesión de propiedades tanto ondulatorias como corpusculares por parte de los objetos subatómicos. El principio fundamental de la teoría cuántica es que una entidad que estamos acostumbrados a considerar como una partícula (por ejemplo, un electrón, con un momento lineal p) puede comportarse también como una onda, mientras que otras entidades que solemos concebir como ondas (por ejemplo, la luz, con una longitud de onda ) también pueden describirse como corpúsculos (en este caso, fotones). La longitud de onda  y el momento lineal p de una entidad cuántica están relacionados por la ecuación p = h, donde h es una constante conocida como constante de Planck.

Esta dualidad onda-corpúsculo se aprecia especialmente bien en los experimentos de `doble rendija', en los que un cañón de partículas dispara electrones o fotones (uno cada vez) a través de un par de agujeros en una barrera, tras lo que son detectados en una pantalla situada al otro lado. En ambos casos, lo que sale del cañón y lo que llega a la pantalla detectora son partículas, y cada una marca un punto individual en la pantalla. No obstante, la figura global que se acumula en la pantalla a medida que se disparan más y más corpúsculos a través de los dos agujeros es un diagrama de interferencia formado por franjas claras y oscuras, que sólo pueden explicarse como resultado de ondas que pasan por ambos agujeros de la barrera e interfieren entre sí. Esto se expresa en el aforismo de que las entidades cuánticas “viajan como ondas pero llegan como partículas”.

Postulado de Broglie

Se inicia EL Modelo Mecano - Cuántico con los estudios del físico francés Luis De Broglie. Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad de movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es difícil conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrar un electrón en cierto momento y en una región dada en el átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía. La idea principal del postulado se conoce con el nombre de Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

1.4.2 Principio de incertidumbre de heissemberg

Principio que afirma que es imposible medir simultáneamente de forma precisa la posición y el momento lineal de una partícula, por ejemplo, un electrón. El principio, también conocido como principio de indeterminación, afirma igualmente que si se determina con mayor precisión una de las cantidades se perderá precisión en la medida de la otra, y que el producto de ambas incertidumbres nunca puede ser menor que la constante de Planck, llamada así en honor del físico alemán Max Planck. La incertidumbre es muy pequeña, y resulta despreciable en mecánica clásica. En cambio, en la mecánica cuántica las predicciones precisas de la mecánica clásica se ven sustituidas por cálculos de probabilidades.

El principio de incertidumbre fue formulado en 1927 por el físico alemán Werner Heisenberg y tuvo una gran importancia para el desarrollo de la mecánica cuántica. Las implicaciones filosóficas de la indeterminación crearon una fuerte corriente de misticismo entre algunos científicos, que interpretaron que el concepto derribaba la idea tradicional de causa y efecto. Otros, entre ellos Albert Einstein, consideraban que la incertidumbre asociada a la observación no contradice la existencia de leyes que gobiernen el comportamiento de las partículas, ni la capacidad de los científicos para descubrir dichas leyes.

1.4.3 Ecuación de onda de Schrödinger

Aunque esta ecuación diferencial era continua y proporcionaba soluciones para todos los puntos del espacio, las soluciones permitidas de la ecuación estaban restringidas por ciertas condiciones expresadas por ecuaciones matemáticas llamadas funciones propias o eigenfunciones (del alemán eigen, `propio'). Así, la ecuación de onda de Schrödinger sólo tenía determinadas soluciones discretas; estas soluciones eran expresiones matemáticas en las que los números cuánticos aparecían como parámetros (los números cuánticos son números enteros introducidos en la física de partículas para indicar las magnitudes de determinadas cantidades características de las partículas o sistemas). La ecuación de Schrödinger se resolvió para el átomo de hidrógeno y dio resultados que encajaban sustancialmente con la teoría cuántica anterior. Además, tenía solución para el átomo de helio, que la teoría anterior no había logrado explicar de forma adecuada, y también en este caso concordaba con los datos experimentales. Las soluciones de la ecuación de Schrödinger también indicaban que no podía haber dos electrones que tuvieran sus cuatro números cuánticos iguales, esto es, que estuvieran en el mismo estado energético.

1.5 Distribución Electrónica en Sistemas Polieléctricos

1.5.1 Principio de Aufbau o de Construccion

El problema que se presenta al explicar las configuraciones electrónicas de la primera serie de transición es bien conocido.

De acuerdo a la espectroscopía atómica los átomos de estos metales adoptan en el estado fundamental la configuración (Ar) (4s)2 (3d)n, con excepción del Cr y el Cu que adoptan la configuración (Ar) (4s)1 (3d)n+1. Al avanzar en la serie hay al menos un electrón en 4s, cuando aun existen orbitales 3d vacantes, indicando que el orden de llenado es 4s antes que el 3d.

Los correspondientes iones dipositivos adoptan en toda la serie la configuración (Ar) (3d)n.

Figura 3 - Evolución de las energías orbitales.

Esto sugiere que los electrones en 3d están unidos más fuertemente al núcleo que los 4s, siendo más estables y por lo tanto de menor energía, en concordancia con los cálculos teóricos. Con e4s mayor que e3d la paradoja aparente es que se obtendría un estado de menor energía ocupando orbitales de energía mayor.

En muchos libros la discusión cualitativa de esta situación se basa en un diagrama semejante al de la Figura 3.

Diagrama esquemático de las energías de los orbitales 4s y 3d frente al número atómico Z en átomos neutros.

Para los elementos del cuarto período la explicación es la siguiente. En el potasio el orbital 4s tiene menor energía que el orbital 3d y entonces se ocupa primero. En el calcio ocurre lo mismo y se completa el orbital 4s con dos electrones. Al llegar al escandio se dice que en este caso e4s es mayor que e3d y por ello los electrones en 4s se pierden primero por ionización, pero como el orbital 4s ya tenía dos electrones en el calcio, el tercer electrón se ubica en el orbital 3d, que ahora es el de menor energía. En algunos casos se ilustra esta descripción mediante diagramas similares a los que se presentan en la Figura 4.

Figura 4- Configuraciones electrónica externas de potasio, calcio y escandio.

En estos diagramas la flecha más intensa representa el último electrón agregado. La principal objeción a la explicación anterior es que el hecho de que el orbital 4s fuera ocupado en potasio y calcio, es irrelevante para el escandio ya que se trata de un sistema aislado diferente, con su propio conjunto de energías orbitales [2,4].

Aunque la Figura 3 predice correctamente la evolución de las energías orbitales en el caso de los metales de transición, no sirve para explicar por qué el orbital 4s se ocupa preferentemente a otro de menor energía en el estado fundamental.

Para la teoría de Hartree-Fock esta situación no es una paradoja ya que los orbitales ocupados en el estado fundamental son aquellos que hacen mínima la energía del átomo. Es decir que el orbital 4s se ocupa antes que el 3d porque la energía del átomo calculada resulta menor. Sin embargo esta afirmación merece una explicación adicional ya que si e4s es mayor que e3d ¿no debería ser la configuración electrónica de escandio en el estado fundamental, (Ar) (3d)3?

Para responder a este interrogante es necesario puntualizar que en el modelo de Hartree-Fock la energía orbital depende de la configuración, es decir del conjunto particular de números de ocupación orbital [3,4], como se pone de manifiesto al analizar las siguientes configuraciones para el escandio:

X:(Ar) (4s)2 (3d)1

Y:(Ar) (4s)1 (3d)2

Z:(Ar) (3d)3.

La energía de un electrón en 3d (e3d) en la configuración X, es la energía de un electrón moviéndose en el campo del core (Ar) y de dos electrones 4s. Es distinta de la energía e3d en la configuración Y, que corresponde a la energía de un electrón moviéndose en el campo del core (supuesto invariable), de un electrón 4s y de otro electrón 3d. También es diferente de e3d en la configuración Z.

Las diferencias en las energías orbitales se originan en las diferentes repulsiones interelectrónicas según los orbitales ocupados. El orbital 4s es mucho mayor y más difuso que el 3d y puede esperarse que dos electrones distribuidos en los orbitales 3d se repelan entre sí más fuertemente que dos electrones en 4s. Los cálculos Hartree-Fock muestran que para cualquier metal de transición, átomo o ion, la energía de repulsión entre dos electrones según los orbitales ocupados, en orden creciente es

Erep(4s,4s) < Erep(4s,3d) < Erep(3d,3d)

En la Figura 5 se observa que al pasar de la configuración X a la configuración Y se elevan las energías de los orbitales 4s y 3d.

Figura 5 - Cambio de la energía orbital con la configuración electrónica. Representación esquemática para el escandio de acuerdo a cálculos a Hartree-Fock.

El aumento en la energía orbital es debido al incremento en las repulsiones electrónicas. En la configuración X la energía de un electrón en un orbital 4s (e4s) incluye una repulsión con otro electrón en 4s - Erep(4s,4s) - y una repulsión con un electrón en 3d - Erep (4s,3d) -. En la configuración Y, e4s incluye dos repulsiones (4s,3d). Luego en la transición X ® Y el aumento en e4s se debe al reemplazo de una interacción de repulsión (4s,4s) por otra de mayor energía (4s,3d).

El aumento de e3d en dicha transición es debido al reemplazo de una repulsión (3d,4s) en la configuración X por una repulsión (3d,3d) de mayor energía en la configuración Y.

Aunque no es obvio del análisis de la Figura 5 que la configuración X tiene menor energía que la Y como muestran los cálculos Hartree-Fock, dado que la energía total del átomo no es la suma de las energías orbitales (ecuación 1), permite comprender por qué en el estado fundamental un orbital de mayor energía (4s) es ocupado a pesar de existir orbitales vacantes de menor energía (3d). El punto es que los orbitales vacantes de menor energía en el estado fundamental, tienen energía mayor en otra configuración en la cual dichos orbitales son ocupados. Dicho de otra manera, los orbitales considerados vacantes sólo están disponibles a una energía mayor que la del orbital más alto ocupado.

Resumiendo, el principio de Aufbau depende de la minimización de la energía total del átomo y no de las energías orbitales, lo que es explicado considerando que para un dado átomo no existe un único conjunto de energías orbitales como sugiere la Figura 3, sino que cada configuración electrónica tiene su propio conjunto. Esto hace evidente otra diferencia con las soluciones del átomo de hidrógeno, en cuyo caso los niveles de energía son definidos por la ecuación de Schrödinger, sin considerar cuál de ellos pueda estar ocupado.

1.5.2 Principio de exclusión de Pauli

Principio fundamental que afirma que dos partículas elementales de espín semientero, por ejemplo electrones, no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico (estado de energía) en un átomo. El principio explica las regularidades de la ley periódica. Posiblemente todavía no se comprendan completamente todas sus implicaciones. El principio de exclusión fue formulado en 1925 por el físico y matemático suizo de origen austriaco Wolfgang Pauli, que recibió el premio Nobel de Física en 1945.

Según la teoría cuántica, los estados posibles de los electrones en el átomo se especifican por cuatro números discretos llamados números cuánticos. Estos números cuánticos se emplean para describir matemáticamente un modelo tridimensional del átomo. El número cuántico principal, n, define el estado de energía principal, o capa, de un electrón en órbita. El número cuántico orbital, l, describe la magnitud del momento angular del electrón en órbita (véase Mecánica). El número cuántico m describe la orientación magnética en el espacio del plano de la órbita del electrón. El llamado espín se designa con el número cuántico de espín magnético, ms, que puede adoptar el valor de -y o +y según la dirección del espín. Para cada número cuántico, salvo ms, sólo están permitidos determinados valores enteros. Las consecuencias de esta regla están sustancialmente de acuerdo con la ley periódica.

Por ejemplo, cuando el número cuántico principal n es 1, la teoría cuántica sólo permite que el número orbital l y el número cuántico magnético m tengan un valor de 0, y que el número cuántico de espín ms sea +y o -y. El resultado es que sólo hay dos combinaciones posibles de números cuánticos: 1-0-0-(+y) y 1-0-0-(-y). Según el principio de exclusión, cada una de estas dos combinaciones de números cuánticos puede ser adoptada por un único electrón. Por tanto, cuando el número cuántico principal es n = l, sólo dos electrones pueden ocupar esa capa electrónica.

Cuando n = 2, la teoría cuántica permite que l sea 0 o 1, m sea +1, 0, o -1, y ms s sea +y o -y. Existen ocho combinaciones posibles de estos números cuánticos. Por tanto, en la segunda capa electrónica puede haber un máximo de ocho electrones. Con este método puede establecerse el número máximo de electrones permitidos en cada capa electrónica de cualquier átomo. La ley periódica se explica por el diferente grado de llenado de las capas electrónicas de los átomos.

El principio de exclusión de Pauli no sólo se aplica a los electrones de los átomos, sino también a los electrones libres que se desplazan a través de la materia en forma de corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial. Los protones y neutrones del núcleo también están organizados en estados cuánticos, y en cada estado sólo se permiten dos partículas de la misma clase y espín opuesto. Todos los fermiones (partículas de espín semientero) cumplen el principio de exclusión, pero no así los bosones, que tienen espín entero.

1.5.3 Principio de Maxima Multiplicidad de Hund

“En orbitales de igual energía, primero se acomodan los electrones de spin positivo y negativo. Los electrones que entran de uno en uno en los orbitales que contienen la misma energía, cuando esto se acompleta con un electrón, entonces cada uno se satura con dos electrones en el mismo orden.

Un electrón no entra en un orbital que tiene ya otro electrón mientras existan otros orbitales desocupados de energía equivalente.

6C = 1s2, 2s2, px1, pz1, py ! tiene que estar lo más desapareado posible

1.5.4 Configuracion electronica de los elementos y su ubicación en la T. P.

Configuración electrónica o Estructura electrónica, organización de los electrones en un átomo, que determina las propiedades químicas del mismo.

A mediados del siglo XIX, varios químicos se dieron cuenta de que las similitudes en las propiedades químicas de diferentes elementos suponían una regularidad que se podía ilustrar ordenándolos de forma tabular o periódica. El químico ruso Dmitri Mendeléiev propuso una tabla de elementos llamada tabla periódica, en la que los elementos están ordenados en filas y columnas de forma que quedan agrupados los que tienen propiedades químicas similares. Según este orden, a cada elemento se le asigna un número (número atómico) de acuerdo con su posición en la tabla, que va desde el 1 para el hidrógeno hasta el 92 para el uranio, que tiene el átomo más pesado de todos los elementos que existen de forma natural en nuestro planeta. Como en la época de Mendeléiev no se conocían todos los elementos, se dejaron espacios en blanco en la tabla periódica correspondientes a elementos que faltaban. Las investigaciones posteriores, facilitadas por el orden que los elementos conocidos ocupaban en la tabla, llevaron al descubrimiento de los elementos restantes. Los elementos con mayor número atómico tienen masas atómicas mayores, y la masa atómica de cada isótopo se aproxima a un número entero, de acuerdo con la hipótesis de Prout.

1.5.5 Principios de Radioactividad

Una serie de descubrimientos importantes realizados hacia finales del siglo XIX dejó claro que el átomo no era una partícula sólida de materia e indivisible. En 1895, el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen anunció el descubrimiento de los rayos X, que pueden atravesar láminas finas de plomo. En 1897, el físico inglés Joseph J. Thomson descubrió el electrón, una partícula con una masa muy inferior a la de cualquier átomo. Y, en 1896, el físico francés Antoine Henri Becquerel comprobó que determinadas sustancias, como las sales de uranio, generaban rayos penetrantes de origen misterioso. El matrimonio de científicos franceses formado por Marie y Pierre Curie aportó una contribución adicional a la comprensión de esas sustancias “radiactivas” (véase Radiactividad). Como resultado de las investigaciones del físico británico Ernest Rutherford y sus coetáneos, se demostró que el uranio y algunos otros elementos pesados, como el torio o el radio, emiten tres clases diferentes de radiación, inicialmente denominadas rayos alfa (a), beta () y gamma (g). Las dos primeras, que según se averiguó están formadas por partículas eléctricamente cargadas, se denominan actualmente partículas alfa y beta. Más tarde se comprobó que las partículas alfa son núcleos de helio (ver más abajo) y las partículas beta son electrones. Estaba claro que el átomo se componía de partes más pequeñas. Los rayos gamma fueron finalmente identificados como ondas electromagnéticas, similares a los rayos X pero con menor longitud de onda (véase Radiación electromagnética).

1.6 Aplicaciones Tecnologicas de la Emision de los Atomos

El trazado isotópico en biología y en medicina

Los diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. El reemplazo de uno por otro en una molécula no modifica, por consiguiente, la función de la misma. Sin embargo, la radiación emitida permite detectarla, localizarla, seguir su movimiento e, incluso, dosificarla a distancia. El trazado isotópico ha permitido estudiar así, sin perturbarlo, el funcionamiento de todo lo que tiene vida, de la célula al organismo entero. En biología, numerosos adelantos realizados en el transcurso de la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de la radioactividad: funcionamiento del genoma (soporte de la herencia), metabolismo de la célula, fotosíntesis, transmisión de mensajes químicos (hormonas, neurotransmisores) en el organismo.

Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas.

Las radiaciones y la radioterapia

Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer, la radioterapia, que fue una de las primeras aplicaciones del descubrimiento de la radioactividad.

En Francia, entre el 40 y el 50% de los cánceres se tratan por radioterapia, a menudo asociada a la quimioterapia o la cirugía. La radioactividad permite curar un gran número de personas cada año.

Las diferentes formas de radioterapia:

• La curioterapia, utiliza pequeñas fuentes radioactivas (hilos de platino - iridio, granos de cesio) colocados cerca del tumor.

• La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación emitida por una fuente exterior.

• La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para destruirlos.

La esterilización

La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío los microorganismos: hongos, bacterias, virus... Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente para el material médico-quirúrgico.

La protección de las obras de arte

El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de arqueología.

La elaboración de materiales

La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones químicas que permiten la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos, envolventes termo retractables, prótesis, etc.

La radiografía industrial X o g

Consiste en registrar la imagen de la perturbación de un haz de rayos X o g provocada por un objeto. Permite localizar los fallos, por ejemplo, en las soldaduras, sin destruir los materiales.

Los detectores de fugas y los indicadores de nivel

La introducción de un radioelemento en un circuito permite seguir los desplazamientos de un fluido, detectar fugas en las presas o canalizaciones subterráneas.

El nivel de un líquido dentro de un depósito, el espesor de una chapa o de un cartón en curso de su fabricación, la densidad de un producto químico dentro de una cuba... pueden conocerse utilizando indicadores radioactivos.

Los detectores de incendio

Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan en los comercios, fábricas, despachos... detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.

Las pinturas luminiscentes

Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche.

La alimentación de energía de los satélites

Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 239, cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.

La producción de electricidad

Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares que, en Francia, producen más del 75% de la electricidad.

1. El ciclo del combustible nuclear

En un reactor, la fisión del uranio 235 provoca la formación de núcleos radioactivos denominados productos de fisión. La captura de neutrones por el uranio 238 produce un poco de plutonio 239 que puede proporcionar también energía por fisión.

Sólo una ínfima parte del combustible colocado en un reactor se quema en la fisión del núcleo. El combustible que no ha sido consumido y el plutonio formado se recuperan y se reciclan para producir de nuevo electricidad. Los otros elementos formados en el transcurso de la reacción se clasifican en tres categorías de residuos en función de su actividad, para ser embalados y luego almacenados.

2. La seguridad nuclear

La utilización de la fantástica fuente de energía contenida en el núcleo de los átomos implica el respeto riguroso de un conjunto de reglas de seguridad nuclear que permita asegurar el correcto funcionamiento de las centrales nucleares y la protección de la población.

3. Los residuos nucleares

Toda clase de actividad humana genera residuos. La industria nuclear no es una excepción a esta regla. Francia produce, de promedio, por año y por habitante:

• 5.000 Kg de residuos, de los cuales

• 100 Kg de residuos tóxicos, que incluyen

• 1 Kg de residuos nucleares de los cuales

• 5 gr de residuos son de alta actividad.

No sabemos aún destruir los residuos radioactivos. Su actividad disminuye naturalmente en el tiempo, más o menos rápido en función de su período. Deben utilizarse, por consiguiente, técnicas de confinamiento y de almacenamiento.

La reducción del volumen y de la actividad de los residuos radioactivos es, en Francia, un objetivo prioritario para la investigación. La amplitud del comportamiento a largo plazo de los residuos acumulados también es un eje primordial en la investigación

UNIDAD 2 Los Elementos Químicos y su Clasificación

2.1 Características de la clasificaron periódica moderna de los elementos.

Toda materia, ya sea orgánica o inorgánica, está formada por átomos que corresponden a elementos; estos se representan por un símbolo que es lo que se llama símbolo químico.

Dimitri Mendelejev , científico ruso, ordenó los elementos sobre la base de su masa atómica y creó la Tabla Periódica de los elementos

Henry Mosseley, científico inglés, posteriormente ordenó los elementos según su número atómico y así se reformuló el ordenamiento hecho por Mendelejev y se llamó entonces a la tabla conocida: Tabla Periódica Moderna.

En el intento de llegar a una clasificación ordenada de los elementos químicos y teniendo como premisas la relación entre la masa atómica de cualquiera de ellos y ciertas propiedades que lo caracterizaban, así como el hecho irrefutable de la dependencia entre la masa atómica y la periodicidad de las propiedades, premisas básicas de la química del siglo XXI, se logró desarrollar esa clasificación periódica de los elementos químicos.

Varios científicos, entre los que se pueden mencionar a Johann Dobereiner y John Newlands trataron de encontrar formas de clasificación, así surgieron las ideas de las “triadas” y la “Ley de las Octavas; pero fue en 1.871 cuando Dimitri Mendelejev y Lothar Meyer, trabajando cada uno por su lado, plantearon que las propiedades de los elementos eran función de sus masas atómicas y desarrollaron un sistema de clasificación en el que manteniendo un orden ascendente de las masas atómicas de los elementos, quedaban distribuidos en ocho grupos a los cuales pertenecían elementos que presentaban propiedades similares.

Mendelejev ordenó los elementos en ocho columnas y fue dejando espacios en blanco en algunos grupos para ubicar a algún elemento que se descubriera posteriormente y que presentará las características de dicho grupo. Esta predicción se cumplió y así vemos como muchos de esos espacios hoy están cubiertos por elementos nuevos.

Mendelejev estableció las propiedades de los elementos como función periódica de sus masas atómicas, postulado al que se denominó “Ley Periódica”.

En este sistema de clasificación se presentaron algunos errores, por ejemplo, la tabla no refleja la configuración electrónica de los átomos; destaca sólo una valencia de cada elemento y a veces ellos presentan otras valencias. Incluso más importantes que la señalada en la tabla; las tierras raras no tienen lugar apropiado en la tabla.

No obstante estos errores, el trabajo de Mendelejev fue de extrema importancia para la Química; los errores han venido corrigiéndolos otros científicos, pero la base estaba formulada. En 1.914 Henry Mosseley, científico inglés, demostró que una mejor clasificación podría basarse en los números atómicos; cuando se escribieron los elementos en orden ascendente de sus números atómicos desaparecieron los errores de la Tabla de Mendelejev. Este trabajo fue decisivo en el enunciada moderno de la Ley Periódica que establece:

“Las propiedades de los elementos son función periódica de su número atómico”.

En la Tabla Periódica Moderna los elementos, si bien están organizados en orden ascendente de sus números atómicos, están distribuidos en filas horizontales, a las cuales se les denomina Períodos y se enumeran con arábigos del 1 al 7.

Aquellos elementos que poseen propiedades similares se agrupan en columnas denominadas Grupos. Algunos los llaman Familias por el parecido químico de sus integrantes. Dichos grupos se distinguen con números romanos y con mayúsculas A y B; los que se agrupan en las columnas A se designan como elementos representativos porque en ellos se observa con claridad cómo varían las propiedades; aquellos que se agrupan en las columnas B se les conocen como elementos de transición.

Los elementos que se denominan Lantánidos y Actínidos se ubican fuera de la Tabla y se les conoce como elementos de transición interna.

2.1.1 Tabla Periódica Larga y Tabla Cuántica

Como resultado de los descubrimientos que establecieron en firme la teoría atómica de la materia en el primer cuarto del siglo XIX, los científicos pudieron determinar las masas atómicas relativas de los elementos conocidos hasta entonces. El desarrollo de la electroquímica durante ese periodo por parte de los químicos británicos Humphry Davy y Michael Faraday condujo al descubrimiento de nuevos elementos.

En 1829 se habían descubierto los elementos suficientes para que el químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner pudiera observar que había ciertos elementos que tenían propiedades muy similares y que se presentaban en tríadas: cloro, bromo y yodo; calcio, estroncio y bario; azufre, selenio y telurio, y cobalto, manganeso y hierro. Verificó entonces que el peso atómico del elemento central de la tríada podía ser obtenido, aproximadamente, promediando el de los otros dos. Del mismo modo, el peso atómico del estroncio resulta ser aproximadamente igual al promedio de las masas atómicas del calcio y del bario. Estos tres elementos poseen propiedades semejantes. Sin embargo, debido al número limitado de elementos conocidos y a la confusión existente en cuanto a la distinción entre masas atómicas y masas moleculares, los químicos no captaron el significado de las tríadas de Döbereiner.

El desarrollo del espectroscopio en 1859 por los físicos alemanes Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff, hizo posible el descubrimiento de nuevos elementos. En 1860, en el primer congreso químico internacional celebrado en el mundo, el químico italiano Stanislao Cannizzaro puso de manifiesto el hecho de que algunos elementos (por ejemplo el oxígeno) poseen moléculas que contienen dos átomos. Esta aclaración permitió que los químicos consiguieran una lista consistente de los elementos.

Hacia 1860, estos avances dieron un nuevo ímpetu al intento de descubrir las interrelaciones entre las propiedades de los elementos y por consiguiente, a trabajar en nuevas propuestas de clasificación. En 1864, el químico británico John A. R. Newlands intentó clasificar los elementos por orden de masas atómicas crecientes, observando que después de cada intervalo de siete reaparecían las mismas propiedades químicas (es decir que el octavo elemento tenía propiedades similares a las del primero). Por su analogía con la escala musical, la clasificación fue llamada "ley de las octavas".

En las columnas que resultan de la clasificación de Newlands se observa la presencia de los elementos pertenecientes a una misma tríada (Li, Na y K). Se deduce que a partir del Li, el elemento de número de orden igual a 8 es el Na que tiene propiedades similares. Lo mismo ocurre con el Be (berilio), que presenta propiedades químicas similares al Mg (magnesio); con el B (boro) y el Al (aluminio), y así sucesivamente.

El descubrimiento de Newlands no impresionó a sus contemporáneos, probablemente porque la periodicidad observada sólo se limitaba a un pequeño número de los elementos conocidos. Si bien el trabajo de Newlands fue incompleto, resultó de importancia, ya que puso en evidencia la estrecha relación existente entre los pesos atómicos de los elementos y sus propiedades físicas y químicas.

Tabla periódica de Mendeleiev

La ley química que afirma que las propiedades de todos los elementos son funciones periódicas de sus masas atómicas fue desarrollada independientemente por dos químicos: por el ruso Dimitri Mendeléiev y el alemán Julius Lothar Meyer.

En 1869, Mendeleiev se propuso hallar una "ley de la naturaleza", válida para toda clasificación sistemática de los elementos. Clasificó todos los elementos conocidos en su época en orden creciente de sus pesos atómicos, estableciendo una relación entre ellos y sus propiedades químicas.

En su clasificación, Mendeleiev no consideró el hidrogeno porque sus propiedades no coincidían con las de otros elementos. Tampoco figuran en ella los gases nobles, porque no habían sido descubiertos aun. La ley periódica de Mendeleiev puede ser enunciada del siguiente modo:

"Las propiedades químicas y la mayoría de las propiedades físicas de los elementos son función periódica de sus pesos atómicos".

Independientemente, en 1870, el alemán Lothar Meyer propuso una clasificación de los elementos relacionando los pesos atómicos con las propiedades físicas, tales como el punto de fusión, de ebullición, etc.

La clave del éxito de los esfuerzos de Mendeléiev y Meyer fue comprender que los intentos anteriores habían fallado porque todavía quedaba un cierto número de elementos por descubrir, y había que dejar los huecos para esos elementos en la tabla. Por ejemplo, aunque no existía ningún elemento conocido hasta entonces con una masa atómica entre la del calcio y la del titanio, Mendeléiev le dejó un sitio vacante en su sistema periódico. Este lugar fue asignado más tarde al elemento escandio, descubierto en 1879, que tiene unas propiedades que justifican su posición en esa secuencia. El descubrimiento del escandio sólo fue parte de una serie de verificaciones de las predicciones basadas en la ley periódica, y la validación del sistema periódico aceleró el desarrollo de la química inorgánica.

El sistema periódico ha experimentado dos avances principales desde su formulación original por parte de Mendeléiev y Meyer. La primera revisión extendió el sistema para incluir toda una nueva familia de elementos cuya existencia era completamente insospechada en el siglo XIX. Este grupo comprendía los tres primeros elementos de los gases nobles o inertes, argón, helio y neón, descubiertos en la atmósfera entre 1894 y 1898 por el físico británico John William Strutt y el químico británico William Ramsay. El segundo avance fue la interpretación de la causa de la periodicidad de los elementos en términos de la teoría de Bohr (1913) sobre la estructura electrónica del átomo.

Teoría de la capa electrónica

En la clasificación periódica, los gases nobles, que no son reactivos en la mayoría de los casos (valencia = 0), están interpuestos entre un grupo de metales altamente reactivos que forman compuestos con valencia +1 y un grupo de no metales también muy reactivos que forman compuestos con valencia -1. Este fenómeno condujo a la teoría de que la periodicidad de las propiedades resulta de la disposición de los electrones en capas alrededor del núcleo atómico. Según la misma teoría, los gases nobles son por lo general inertes porque sus capas electrónicas están completas; por lo tanto, otros elementos deben tener algunas capas que están sólo parcialmente ocupadas, y sus reactividades químicas están relacionadas con los electrones de esas capas incompletas. Por ejemplo, todos los elementos que ocupan una posición en el sistema inmediatamente anterior a un gas inerte, tienen un electrón menos del número necesario para completar las capas y presentan una valencia -1 y tienden a ganar un electrón en las reacciones.

Los elementos que siguen a los gases inertes en la tabla tienen un electrón en la última capa, y pueden perderlo en las reacciones, presentando por tanto una valencia + 1.

Un análisis del sistema periódico, basado en esta teoría, indica que la primera capa de electrones puede contener un máximo de 2 electrones, la segunda un máximo de 8, la tercera de 18, y así sucesivamente. El número total de elementos de cualquier periodo corresponde al número de electrones necesarios para conseguir una configuración estable. La diferencia entre los subgrupos A y B de un grupo dado también se puede explicar sobre la base de la teoría de la capa de electrones. Ambos subgrupos son igualmente incompletos en la capa exterior, pero difieren entre ellos en las estructuras de las capas subyacentes. Este modelo del átomo proporciona una buena explicación de los enlaces químicos.

Teoría cuántica

El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wolfgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener los mismos números cuánticos, los físicos pueden determinar teóricamente el número máximo de electrones necesario para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico.

Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta (en concreto la capa exterior, o de valencia), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocido como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los 14 elementos un único lugar en su sistema.

Tipos de tabla

Cada autor siente la tentación de dibujar una tabla donde, según él, se manejan mejor los conceptos de periodicidad química. Las tablas más importantes son las que comúnmente se conocen como: “Tabla corta”, “Tabla larga” y “Tabla larga extendida”.

Tabla corta

Derivación directa de la propuesta original de Mendeleiev-Meyer; se le fueron introduciendo modificaciones a medida que se avanzaba en el tiempo y en el conocimiento; ya se advierte la presencia de un grupo vertical más; el grupo gases nobles, desconocidos por Mendeleiev. El uso de este tipo de tabla corta ha desaparecido en la actualidad.

Tabla larga

Modificación muy útil, que también suele ser conocida como tabla de Both. Se construye de tal forma que refleja la teoría de Both sobre la distribución electrónica. En las verticales se encuentran los elementos cuya distribución electrónica final es coincidente, en esencia la tabla larga deriva de la original de Mendeleiev, extendiendo los períodos largos (cuarto, quinto y sexto) y cortando en dos los períodos cortos para acomodar en el medio a las series de los elementos de transición. Así se generan períodos largos pero solo a partir del cuarto período.

Tabla larga extendida

Representación moderna, con el inconveniente de que los gráficos se hacen muy extensos, la misma sigue al recorrerla por número atómico creciente el llenado de órbitas propuesto por Both; posee 32 columnas y el primer periodo tiene 2 elementos, el segundo y tercero tienen 8, el cuarto y quinto tienen 18 elementos, el sexto período 32 elementos y el séptimo hasta el momento se agota con 106 elementos.

En el sistema periódico largo, cada periodo corresponde a la formación de una nueva capa de electrones. Los elementos alineados tienen estructuras electrónicas estrictamente análogas. El principio y el final de un periodo largo representan la adición de electrones en una capa de valencia; en la parte central aumenta el número de electrones de una capa subyacente.

2.2 Propiedades Atómicas y su variación Atómica

Los elementos se encuentran ordenados en una tabla periódica en orden ascendente del número atómico tomando en cuenta la ley periódica que dice que cada cierto número de elementos las propiedades periódicas se repiten. Los elementos se ordenan en periodos, en forma horizontal, y en grupos en forma vertical.

Los elementos de un mismo grupo poseen propiedades químicas y físicas similares. Esto se debe a que tienen la misma estructura electrónica terminal.

Por ejemplo la configuración electrónica de los elementos del grupo I termina en ns1, la del grupo VI en ns2 np4 .

Los elementos se dividen en tres grandes grupos que son : Representativos, transición y tierras raras. Esta clasificación depende de la posición del electrón diferenciante de cada elemento. Los elementos representativos poseen su electrón diferenciante en los subniveles s y p, los de transición en d y las tierras raras en f

Existen grupos de tres elementos que repiten sus propiedades en forma horizontal. Estos elementos se denominan triados y son elementos de transición. Las triadas son Fe,Co y Ni ;

Ru, Rh y Pd; Os, Ir y Pt.

Además los elementos se clasifican como metales y no-metales. Esta clasificación se denota en la tabla periódica con una línea punteada. Los metales son todos elementos sólidos con excepción del mercurio que es líquido. Los no-metales existen en los tres estados de agregación siendo el bromo un líquido. Los elementos a ambos lados de la línea punteada se denominan metaloides ya que poseen propiedades de metales y no-metales, como por ejemplo el Al , Si, Ge y As.

2.2.1 Carga Nuclear Efectiva

La carga nuclear efectiva es la fuerza con la que el núcleo atrae a los electrones externos. La carga nuclear efectiva depende de la carga nuclear ( Z ) y el efecto de pantalla ( ).

La carga nuclear es igual al número atómico o sea al número de protones en el núcleo del átomo del elemento. El efecto de pantalla depende de los electrones ,de tal forma que a mayor número de electrones mayor es el efecto de pantalla.

La forma de calcular la carga nuclear efectiva es utilizando la siguiente fórmula:

Z efect.= Z- 

Para poder explicar cómo varían las propiedades periódicas de los elementos es importante saber cómo varía la carga nuclear efectiva. Para ello los elementos se estudian en periodos y en grupos separadamente.

Analicemos qué sucede con la carga nuclear efectiva en elementos que pertenecen a un mismo periodo. Para ello utilizaremos al Li y al Ne elementos del segundo periodo

	Li	Ne	variación
Carga nuclear (Z)	3	10	7
Efecto de pantalla()	1,72	4,24	2,52

Como se puede observar la variación de la carga nuclear es más del doble que la del efecto de pantalla. Por eso decimos que para analizar la carga nuclear efectiva en elementos que pertenecen a un mismo periodo se desprecia la variación del efecto de pantalla y le damos importancia a la variación de la carga nuclear. De tal forma que al aumentar la carga nuclear aumenta también la carga nuclear efectiva.

Analicemos ahora lo que sucede con elementos de un mismo grupo. Para ello utilizaremos al He y al Ba elementos del grupo II.

	He	Ba	variación
Carga nuclear (Z)	2	56	54
Efecto de pantalla()	0,31	48,42	48,11

En este caso podemos observar que la variación de la carga nuclear y el efecto de pantalla son similares, de tal forma que los valores de la carga nuclear efectiva de los elementos de un mismo grupo no aumentan significativamente. Por esta razón despreciamos los valores de carga nuclear efectiva y le damos importancia a la variación del efecto de pantalla. O sea la variación de las propiedades periódicas de elementos de un mismo grupo la explicamos con la variación del efecto de pantalla.

2.2.2 Radio Atómico, Covalente, iónico.

RADIO ATÓMICO

Se define como radio atómico la mitad de la distancia entre dos núcleos de átomos iguales cuando se encuentran uno al lado del otro (estado sólido)

Elementos de un mismo periodo:

Como se mencionó anteriormente en elementos que se encuentran en mismo periodo el radio atómico depende de la carga nuclear efectiva. Esta depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. Si la carga nuclear aumenta la carga nuclear efectiva aumenta también y por lo tanto el radio disminuye ya que aumenta la atracción del núcleo sobre los electrones externos.

Así el radio atómico del 37Rb es mayor que el del 52Te.

Elementos de un mismo grupo:

Antes se mencionó que si los elementos pertenecen a un mismo grupo la variación de la carga nuclear efectiva se desprecia ya que la carga nuclear y el efecto de pantalla aumentan en forma similar y entonces le damos importancia al efecto de pantalla. Al aumentar el efecto de pantalla, en elementos de un mismo grupo, el radio también aumenta, ya que los electrones externos se ubican en niveles más externos de energía o sea más alejados del núcleo.

Así el radio atómico del 83Bi es mayor que el del 6C.

RADIO IÓNICO

Para explicar el radio iónico es necesario comparar el ión con el elemento neutro.

Radio del catión :

Un catión se produce cuando el átomo pierde electrones. Aquí necesitamos analizar que sucede con la carga nuclear efectiva del catión con respecto de la del átomo neutro. El catión posee la misma carga nuclear que el átomo neutro sin embargo al perder electrones disminuye su efecto de pantalla. Al aplicar la fórmula de carga nuclear efectiva al catión el valor resultante es mayor que el del átomo neutro. Por esta razón al ser mayor la carga nuclear efectiva en el catión su radio es menor que el del átomo neutro.

Cuánto mayor número de electrones pierda un átomo menor será su radio iónico.

Un orden de radio iónico sería:

S6+ < S4+ < S2+ < S0

menor mayor

Radio de un anión:

Un anión se produce cuando un átomo neutro acepta electrones. De tal forma que el anión posee la misma carga nuclear que el átomo neutro pero su efecto de pantalla aumenta por lo tanto su carga nuclear efectiva es menor. Al ser menor la carga nuclear efectiva en mayor su radio iónico. Cuanta mayor cantidad de electrones acepte un átomo mayor será su radio iónico.

Un orden de radio iónico sería:

C < C1- < C4-

Menor mayor.

2.2.3 Energía de ionización

Se define como la energía necesaria para quitar un electrón de un átomo o de un catión.

Un átomo puede perder varios electrones pero lo hace de uno en uno. La energía necesaria para que un átomo pierda su primer electrón se denomina primera energía de ionización. Para perder el segundo electrón se debe aplicar la segunda energía de ionización y así sucesivamente.

Para analizar la variación que sufre la primera energía de ionización en elementos de un mismo periodo se debe recordar que la carga nuclear efectiva depende ,principalmente, de la carga nuclear, ya que se desprecia la variación del efecto de pantalla. Si la carga nuclear aumenta también aumenta la carga nuclear efectiva y por ende la primera energía de ionización es mayor, ya que al estar más atraído el electrón por el núcleo se requerirá utilizar mayor energía para poder sacarlo del átomo.

Así la primera energía de ionización del 53I es mayor que la del 49In.

Para elementos de un mismo grupo la primera energía de ionización depende del efecto de pantalla ya que se desprecia la variación de la carga nuclear efectiva, pues la carga nuclear y el efecto de pantalla aumentan en forma similar. A mayor efecto de pantalla menor será la energía de ionización ya que el electrón externo se encuentra en un nivel superior de energía y por lo tanto se necesita menos energía para sacarlo del átomo.

Es por esto que la primera energía de ionización del 81Tl es menor que la del 31Ga.

Al comparar las diferentes energías de ionización para un mismo átomo se tiene que la primera es siempre menor que la segunda, ya que en esta se parte de un catión que como vimos anteriormente posee mayor carga nuclear efectiva que el átomo neutro. Al ser la carga nuclear efectiva mayor la energía de ionización también es mayor .

X - 1e- X1+ I Energía de ionización

X1+ - 1e- X2+ II Energía de ionización

Esto explica también porque la tercera energía de ionización es mayor que la segunda y así sucesivamente.

2.2.4 Afinidad electrónica

La afinidad electrónica es la energía que se absorbe o se libera cuando un átomo acepta un electrón y se convierte en un anión. Esta energía tiene valores positivos ,cuando la energía es absorbida, o negativos cuando es liberada.

Para elementos de un mismo periodo la afinidad electrónica depende de la carga nuclear efectiva, la cual depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. A mayor carga nuclear mayor carga nuclear efectiva y mayor afinidad electrónica.

Por ejemplo el 35Br tiene mayor afinidad electrónica que el 19K.

Para elementos que pertenecen a un mismo grupo la afinidad electrónica depende del efecto de pantalla. La variación de la carga nuclear efectiva se desprecia pues la variación de la carga nuclear y del efecto de pantalla es similar. A mayor efecto de pantalla menor es la afinidad electrónica.

Así la afinidad electrónica del 82Pb es menor que la del 32Ge.

2.2.5 Número de oxidación

Carga eléctrica formal que se asigna a un átomo en un compuesto.

El número de oxidación presupone que hay enlaces iónicos entre átomos unidos por enlace covalente. Su variación en una reacción química indica la existencia de un proceso de oxidación-reducción.

Se puede definir como el número de cargas que habría que asignar a cada uno de los átomos de los distintos elementos que forman un compuesto, si todos ellos pasaran al estado de iones. Así, el número de oxidación de cualquier elemento en estado natural (atómico o molecular) es cero, y el de un ion es igual a su carga. En los compuestos covalentes, los pares de electrones se asignan al átomo más electronegativo de los dos que los comparten, y así ambos se consideran iones, quedando con número de oxidación negativo el átomo más electronegativo y con número de oxidación positivo el menos electronegativo. El oxígeno tiene número de oxidación -2, excepto en los peróxidos, que tiene -1. El hidrógeno combinado con elementos más electronegativos tiene de número de oxidación +1, y -1 cuando se combina con elementos menos electronegativos. Véase Electronegatividad.

La suma algebraica de los números de oxidación de todos los átomos que forman un compuesto es cero.

2.2.6 Electronegatividad

La electronegatividad es la fuerza con la que el núcleo de un átomo atrae al par de electrones de un enlace covalente.

Para elementos de un mismo periodo la electronegatividad depende de la carga nuclear efectiva, la cual depende principalmente de la carga nuclear ya que la variación del efecto de pantalla se desprecia. A mayor carga nuclear mayor carga nuclear efectiva y mayor electronegatividad.

La electronegatividad del 84Po es mayor que la del 56Ba.

Para elementos de un mismo grupo la electronegatividad depende del efecto de pantalla. La variación de la carga nuclear efectiva se desprecia pues la variación de la carga nuclear y del efecto de pantalla es similar. A mayor efecto de pantalla menor es la electronegatividad.

2.3 Aplicación Impacto Económico o Ambiental de Alg. Elementos

2.3.1 Abundancia de los Elementos en la naturaleza

Metales, grupo de elementos químicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido; opacidad, excepto en capas muy finas; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido. Metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, teluro, polonio y astato— tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas.

El número de elementos que existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos obtenidos artificialmente.

Elemento

Un elemento es una sustancia constituida por átomos con el mismo número atómico. Algunos elementos comunes son oxígeno, nitrógeno, hierro, cobre, oro, plata, hidrógeno, cloro y uranio. Aproximadamente el 75% de los elementos son metales y los otros son no metales. La mayor parte de los elementos son sólidos a temperatura ambiente, dos de ellos (mercurio y bromo) son líquidos y el resto son gases. Pocos elementos se encuentran en la naturaleza en estado libre (no combinados), entre ellos el oxígeno, nitrógeno; los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón); azufre, cobre plata y oro. Los más de los elementos se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos formando compuestos.

Los elementos están clasificados en familias o grupos en la tabla periódica. También se clasifican en metales y no metales. Un elemento metálico es aquel cuyos átomos forman iones positivos en solución, y uno no metálico aquel que forma iones negativos en solución.

Los átomos de un elemento tienen el mismo número atómico, pero no necesariamente el mismo peso atómico. Los átomos con el mismo número atómico, pero diferentes pesos, se llaman isótopos. Todos los elementos tienen isótopos, aunque en ciertos casos sólo se conocen los isótopos sintéticos. Muchos de los isótopos de los diferentes elementos son inestables, o radiactivos, y por ende se desintegran para forma átomos estables, del mismo elemento o de algún otro.

Se cree que los elementos químicos son resultado de la síntesis por procesos de fusión a muy altas temperaturas (en el orden de los 100 000 000ºC o 180 000 000ºF y superiores). La fusión de las partículas nucleares simples (protones y neutrones) lleva primero a núcleos atómicos como el helio y luego a los núcleos más pesados y complejos de los elementos ligeros (litio, boro, berilio y así sucesivamente). Los átomos de helio bombardean a los átomos de elementos ligeros y producen neutrones. Los neutrones son capturados por los núcleos de los elementos y producen otros más pesados. Estos dos procesos -fusión de protones y captura de neutrones- son los procesos principales con que se forman los elementos químicos.

Se han sintetizado varios elementos presentes solamente en trazas o ausentes en la naturaleza. Son el tecnecio, prometio, astatinio, francio y todos los elementos con números atómicos superiores a 92.

Abundancia cósmica. La abundancia de los elementos en las rocas de la Tierra, la Tierra en general, los meteoritos, el sistema solar, las galaxias o todo el universo, corresponde al promedio de las cantidades relativas de los elementos químicos presentes o, en otras palabreas, ala composición química promedio. La abundancia de los elementos está dada por el número de átomos de un elemento de referencia. El silicio comúnmente se toma como el elemento de referencia en el estudio de la composición de la Tierra y los meteoritos, y los datos están dados en átomos por 106 átomos de silicio. Los resultados de las determinaciones astronómicas de la composición del Sol y las estrellas con frecuencia se expresan en átomos por 1010 átomos de hidrógeno. Los análisis químicos ordinarios, entre ellos las técnicas avanzadas para estudios de trazas de elementos (tales como activación neutrónica o dilución isotópica), sirven para determinar la composición de rocas y meteoritos. La composición del Sol y las estrellas puede obtenerse de análisis espectroscópicos cuantitativos. Los elementos más abundantes en la superficie de la Tierra son oxígeno, silicio, magnesio, calcio, aluminio, así como el hierro. En el universo, el hidrógeno y el helio constituyen más del 95% de la materia total.

La composición isotópica de los elementos es casi la misma en todo el material terrestre y en los meteoritos. La abundancia nuclear de los isótopos se puede calcular de la composición isotópica de un elemento y de su abundancia cósmica.

Los valores de abundancia nuclear muestran una clara correlación con ciertas propiedades nucleares, y puede suponerse que son una buena aproximación de la distribución del rendimiento original del proceso termonuclear que provocó la formación de los elementos. Los valores empíricos de abundancia pueden así servir de base para consideraciones teóricas acerca del origen de la materia y del universo y han conducido a la siguiente conclusión: no existe un mecanismo único y simple por el cual puedan haberse formado los elementos, con su composición isotópica observada. La materia del cosmos parece ser una mezcla de material formado en diferentes condiciones y tipos de procesos nucleares.

Distribución geoquímica. La distribución de los elementos químicos en las principales zonas de la Tierra (corteza, manto, núcleo) depende de la historia remota y de la evolución subsecuente tanto de la Tierra como del sistema solar. Dado que estos eventos ocurrieron hace largo tiempo y no hay evidencia directa de lo que en realidad sucedió, hay mucha especulación en la explicación actual de la distribución de los elementos en las principales zonas de la Tierra.

Antes de que evolucionara el sistema proto-solar para formar el Sol y los planetas probablemente fue una gran nube de gas, polvo y alguna otra materia en forma de lente y girando.

El interior de esta nube, contraída y calentada en un inicio por atracción gravitacional, elevó su temperatura y presión lo suficiente para iniciar las reacciones nucleares, generando luz y calor. La materia en los remolinos dentro de las zonas periféricas de la nube, con el tiempo coalesció y formó los planetas individuales. Porciones de elementos ligeros más volátiles (como N, C, O e H) escaparon del interior más caliente del sistema y fueron enriquecidos en los grandes planetas externos menos densos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Los elementos más pesados, menos volátiles (como Ca, Na, Ng, Al, Si, K, Fe, Ni y S), tendieron a permanecer cerca del centro del sistema y fueron enriquecidos en los pequeños planetas internos más densos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte).

Se piensa que el crecimiento de la Tierra fue de una nube cuya composición era muy parecida a la del tipo de los meteoritos rugosos conocidos como condritas. La proto-Tierra fue probablemente homogénea, esferoide, sin zonas delimitadas, de composición aproximadamente condrítica.

Según la hipótesis de una Tierra sin zonas bien delimitadas y el modelo condrítico, la aleación Ni-Fe formó el núcleo, y las fases remanentes formaron el manto. En una época muy remota de su historia (hace 4-5 x 109 años) es probable que tuviera principalmente forma sólida. La mayoría de los estudiosos de la Tierra suponen que un calentamiento posterior, debido a la contracción adiabática y decaimiento radiactivo, originó un extenso fenómeno de fusión, la aleación Ni-Fe, su fundió inicialmente; por su mayor densidad, la aleación se mantuvo en su posición y formó el núcleo. Este evento se conoce como la catástrofe del hierro. Al continuar la fusión habría creado tres líquidos inmiscibles; silicatos, sulfuros y aleaciones. Los silicatos, sulfuros y otros compuestos remanentes podrían haber formado el manto que rodea el núcleo.

La nueva capa oceánica, compuesta principalmente de rocas basálticas, daría lugar a los arrecifes de alta mar (centros de difusión) por medio de una fusión parcial del manto. En relación con el manto, la corteza basáltica está enriquecida en Si, Al, Ca, Na, K y un gran número de elementos iónicos litófilos; pero es pobre en Mg, Fe y ciertos metales de transición (del grupo VIII en particular). El proceso de fusión parcial de la parte superior del manto y la ascensión del magma formaron una nueva corteza, y puede ser el mecanismo dominante para la concentración de los elementos que enriquecieron la capa de la corteza a expensas del manto.

La fusión parcial también ocurrió dentro de la corteza continental, provocando a la formación y ascenso de magmas comparativamente ricos en elementos del manto, y pobre en relación con los elementos de las rocas de las que provienen los magmas. Éstos tienden a moverse hacia arriba con el tiempo, solidificándose en ocasiones y formando parte de la corteza continental con diversas zonas, una superior (sial), teniendo una composición granítica, y una inferior (sima), de composición desconocida, probablemente parecida a la del basalto. La corteza granítica superior es aún más abundante en elementos de la corteza. Modificaciones posteriores de la corteza continental superior pueden ocurrir a través de procesos como la sedimentación climática, el metamorfismo y la diferenciación ígnea.

Elementos actínidos. Actinide elements. Serie de elementos que comienza con el actinio (número atómico 89) y que incluye el torio, protactinio, uranio y los elementos transuránicos hasta el laurencio (número atómico 103). Estos elementos tienen gran parecido químico con los lantánidos, o tierras raras, elementos de números atómicos 57 a 71. Sus números atómicos, nombres y símbolos químicos son: 89, actinio (Ac), el elemento prototipo, algunas veces no se incluye como un miembro real de la serie; 90, torio (Th); 91, protacnio (Pa); 92, uranio (U); 93, neptunio (Np); 94, plutonio (Pu); 95, americio (Am); 96, curio (Cm); 97, berkelio (Bk); 98, californio (Cf); 99, einsteinio (Es); 100, fermio (Fm); 101, mendelevio (Md); 102, nobelio (No); 103, laurencio (Lr).

A excepción del torio y el uranio, los actínidos no están presentes en la naturaleza en cantidades apreciables. Los elementos transuránicos se descubrieron e investigaron como resultado de sus síntesis en reacciones nucleares. Todos son radiactivos, y con excepción del torio y el uranio, incluso en pequeñas cantidades, deben manejarse con precauciones especiales.

La mayor parte de los actínidos tienen lo siguiente en común: cationes trivalentes que forman iones complejos y quelatos orgánicos; los sulfatos, nitratos, halogenuros, percloratos y sulfuros correspondientes son solubles, mientras que los fluoruros y oxalatos son insolubles en ácidos.

Elementos metaloácidos. Metalloacid elements. Elementos químicos con los siguientes números atómicos y nombres: 23, vanadio, V; 41, niobio, Nb; 73, tántalo, Ta; 24, cromo, Cr; 42, molibdeno, Mo; 74, tungsteno, W; 25, manganeso, Mn; 43, tecnecio, Tc y 75, renio, Re. Estos elementos son un subgrupo integrante de los grupos V, VI y VII de la tabla periódica, respectivamente. En estado elemental todos son metales de alta densidad, alto punto de fusión y baja volatilidad. La clasificación como elementos metaloácidos se refiere al hecho de que sus óxidos reaccionan con el agua para producir soluciones ligeramente ácidas, en contraste con el comportamiento más usual de los óxidos de otros metales que dan soluciones básicas.

Elementos nativos. Native elements. Elementos que aparecen en la naturaleza sin combinarse con otros. Además de los gases libres de la atmósfera, existen alrededor de 20 elementos que se encuentran bajo la forma de minerales en estado nativo. Éstos se dividen en metales, semi-metales y no metales. El oro, la plata, el cobre y el platino son los más importantes entre los metales, y cada uno de ellos se ha encontrado en ciertas localidades en forma lo suficientemente abundante para que se exploten como si fueran minas. Otros metales menos comunes son los del grupo del platino, plomo, mercurio, tantalio, estaño y zinc. El hierro nativo se encuentra, en escasas cantidades, lo mismo como hierro terrestre que como procedente de meteoritos.

Los semi-metales nativos pueden dividirse en: 1) el grupo del arsénico, que incluye al arsénico, antimonio y bismuto, y 2) el grupo del telurio, que incluye el telurio y el selenio.

Los no metales nativos son el azufre y el carbón en sus formas de grafito y diamante. El azufre nativo es la fuente industrial principal de este elemento.

Elementos de tierras raras. Rare-earth elements. Al grupo de 17 elementos químicos, con números atómicos 21, 39 y 57-71, se le conoce con el nombre de tierras raras; el nombre lantánidos se reserva para los elementos del 58 a 71. El nombre de tierras raras es inapropiado, porque no son ni raras ni tierras.

La mayor parte de las primeras aplicaciones de las tierras raras aprovecharon sus propiedades comunes, utilizándose principalmente en las industrias del vidrio, cerámica, de alumbrado y metalurgia. Hoy, estas aplicaciones se sirven de una cantidad muy considerable de la mezcla de tierras raras tal como se obtienen del mineral, aunque algunas veces esta mezcla se complementa con la adición de cerio o se eliminan algunas de sus fracciones de lantano o cerio.

Estos elementos presentan espectros muy complejos, y los óxidos mezclados, cuando se calientan, dan una luz blanca intensa parecida a la luz solar, propiedad que encuentra su aplicación en arcos con núcleo de carbón, como los que se emplean en la industria del cine.

Los metales de las tierras raras tienen gran afinidad por los elementos no metálicos; por ejemplo, hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y halogenuros. Cantidades considerables de las mezclas de metales raros se reducen a metales, como el "misch metal", y estas aleaciones se utilizan en la industria metalúrgica. Las aleaciones de cerio y las mezclas de tierras raras se emplean en la manufactura de piedras de encendedor. Las tierras raras se utilizan también en la industria del petróleo como catalizador. Granates de itrio y aluminio (YAG) se emplean en el comercio de joyería como diamantes artificiales.

Aunque las tierras raras están ampliamente distribuidas en la naturaleza, por lo general se encuentran en concentración baja, y sólo existen en alta concentración en las mezclas de cierto número de minerales. La abundancia relativa de las diferentes tierras raras en algunas rocas, formaciones geológicas, astrofísicos y cosmólogos.

Los elementos de las tierras raras son metales que poseen propiedades individuales particulares. Muchas de las propiedades de los metales de las tierras raras y de las mezclas indican que son muy sensibles a la temperatura y la presión. También son diferentes cuando consideramos las medidas entre los ejes cristalinos de los metales; por ejemplo, la conductividad eléctrica, la constante de elasticidad, etc. Las tierras raras forman sales orgánicas con ciertos compuestos quelato-orgánicos. Esto quelatos, que han reemplazado parte del agua alrededor de los iones, aumenta las diferencias en las propiedades entre cada elemento de las tierras raras, lo que se ha aprovechado en los métodos modernos de separación por intercambio iónico.

Elementos de transición. Transition elements. En términos amplios, son los elementos con número atómico del 21-31, 39-49 y 71-81. En la clasificación más estricta de los elementos de transición, preferida por muchos químicos, incluyen sólo los elementos de número atómico 22-28, 40-46 y 72 al 78. Todos los elementos de esta clasificación tienen uno o más electrones en la subcapa parcialmente llena y tienen, por lo menos, un estado de oxidación bien conocido.

Todos los elementos de transición son metales y, en general, se caracterizan por sus elevadas densidades, altos puntos de fusión y bajas presiones de vapor. En el mismo subgrupo, estas propiedades tienden a aumentar con el incremento del peso atómico. La facilidad para forma enlaces metálicos se demuestra por la existencia de una gran variedad de aleaciones entre diferentes metales de transición.

Los elementos de transición incluyen la mayor parte de los metales de mayor importancia económica, como el hierro, níquel y zinc, que son relativamente abundantes por una parte, y, por otra, los metales para acuñación, cobre, plata y oro. También se incluyen elementos raros y poco conocidos, como el renio y el tecnecio, el cual no se encuentra en la Tierra en forma natural, aunque sí en pequeñas cantidades como producto de fisión nuclear.

En sus compuestos, los elementos de transición tienden a exhibir valencias múltiples; la valencia máxima tiende a incrementarse de 3+ en la serie (Sc, Y, Lu) a 8+ en el quinto miembro (Mn, Re). Una de las características más importantes de los elementos de transición es la facilidad con que forman iones complejos y estables. Las características que contribuyen a esta capacidad son la elevada relación carga-radio y la disponibilidad de sus orbitales d parcialmente llenos, los cuales pueden ser utilizados para forma enlaces. La mayor parte de los iones y compuesto de los metales de transición son coloridos, y muchos de ellos paramagnéticos. Tanto el color como el paramagnetismo se relacionan con la presencia de electrones desapareados en la subcapa d. Por su capacidad para aceptar electrones en los orbitales d desocupados, los elementos de transición y sus compuestos exhiben con frecuencia propiedades catalíticas.

Por lo general, las propiedades de los elementos de transición son intermedias entre los llamados elementos representativos, en que las subcapas están completamente ocupadas por electrones (elementos alcalinos; halógenos), y los interiores o elementos de transición f, en que los orbitales de las subcapas desempeñan un papel mucho menos importante en las propiedades químicas.

Elementos transuránicos. Transuranium elements. Elementos sintéticos con números atómicos superiores al del uranio (número atómico 92). Son miembros de los actínidos, desde el neptunio (número atómico 93) hasta el laurencio (número atómico 103) y los elementos transactínidos (con números atómicos superiores a 103).

El concepto de peso atómico en el sentido que se da a los elementos naturales no es aplicable a los elementos transuránicos, ya que la composición isotópica de cualquier muestra depende de su fuente. En la mayor parte de los casos el empleo de número de masa del isótopo de mayor vida media en combinación con una evaluación de su disponibilidad ha sido adecuado. Buenas elecciones en el momento actual son: neptunio, 237; plutonio, 242; americio, 243; curio, 248; berkelio, 249; californio, 250; einstenio, 254; fermio, 257; mendelevio, 258; nobelio, 259; laurencio, 260; rutherfordio (elemento 104), 261; hafnio (elemento 105), 262 y elemento 106, 263.

Los actínidos son químicamente similares y tienen gran semejanza química con los lantánidos o tierras raras (números atómicos 51-71). Los transactínidos, con números atómicos 104-118, deben ser colocados en una tabla periódica ampliada debajo del periodo de elementos comenzando con el hafnio, número atómico 72, y terminando con el radón, número atómico 86. Esta disposición permite predecir las propiedades químicas de estos elementos y sugiere que tendrán una analogía química, elemento por elemento, con los que aparecen inmediatamente arriba de ellos en la tabla periódica.

Los transuránicos, incluyendo hasta al fermio (número atómico 100), se producen en grandes cantidades por medio de la captura sucesiva de electrones en los reactores nucleares. El rendimiento disminuye con el incremento del número atómico y el más pesado que se produce en cantidades apreciables es el einstenio (número 99). Muchos otros isótopos se obtienen por bombardeo de isótopos blanco pesados con proyectiles atómicos cargados en aceleradores; más allá del fermio todos los elementos se obtienen por bombardeo de iones pesados.

Se predice que los transactínidos que siguen al elemento 106 tendrán una vida media muy corta, pero consideraciones teóricas sugieren una estabilidad nuclear mayor, si se comparan con los elementos precedentes y sucesivos, para una gama de elementos situados alrededor de los números atómicos 110, 115 o 120 a causa de la estabilidad predicha por Derivarse De Capas Nucleares Cerradas.

2.3.2 Elementos De Importancia Económica

Combustibles y carburantes.

Los combustibles son cuerpos capaces de combinarse con él oxigeno con desprendimiento de calor. Los productos de la combustión son generalmente gaseosos. Por razones practicas, la combustión no debe ser ni muy rápida ni demasiado lenta.

Puede hacerse una distinción entre los combustibles quemados en los hogares y los carburantes utilizados en los motores de explosión; aunque todos los carburantes pueden ser empleados como combustibles, no ocurre lo mismo a la viceversa.

Clasificación y utilización de los combustibles:

Los distintos combustibles y carburantes utilizados pueden ser: sólidos, líquidos o gaseosos.

Combustibles sólidos.

Carbones naturales:

Los carbones naturales proceden de la transformación lenta, fuera del contacto con el aire, de grandes masas vegetales acumuladas en ciertas regiones durante las épocas geológicas. El proceso de carbonización, en unos casos, muy antiguo, además de que influyen otros factores, como las condiciones del medio ambiente y el tipo de vegetal original. Se han emitido numerosas teorías para explicar la formación de las minas de carbón, pero ninguna es totalmente satisfactoria.

Madera:

La madera se utiliza sobre todo en la calefacción domestica. En los hogares industriales, salvo en los países en que es muy abundante, no suele emplearse.

Combustibles líquidos.

Petróleo:

Se encuentra en ciertas regiones del globo (Estados Unidos, Venezuela, U.R.S.S., etc.) en yacimientos subterráneos, se extrae haciendo perforaciones que pueden alcanzar los 7000 m de profundidad. Él petróleo bruto, que contiene agua y arena, es llevado a unos recipientes de decantación; si no se refina en el lugar de extracción, es transportado por medio de tuberías de acero estirado, de un diámetro interior de 5 a 35 cm, que son los llamados oleoductos o pipelines.

El petróleo bruto, liquido de aspecto muy variable, es una mezcla extremadamente compleja de numerosos hidrocarburos, con pequeñas cantidades de otras sustancias. Según su origen, predominan los hidrocarburos saturados o los hidrocarburos cíclicos; pero en todos los petróleos los dos tipos de hidrocarburos existen en proporciones muy variables.

Combustibles gaseosos.

Gas natural:

En el interior de la corteza terrestre existen bolsas que contienen cantidades importantes de gases combustibles cuyo origen es probablemente análogo al de los petróleos. La presión de estos gases suele ser elevada, lo cual permite su distribución económica a regiones extensas. Están constituidos principalmente por metano, con pequeñas cantidades de butano, y aun por hidrocarburos líquidos. Estos, una vez extraídos, constituyen un buen manantial de gasolina.

Butano y Propano:

Se extraen del petróleo bruto, en el que se encuentran disueltos. También se originan en las diversas operaciones del tratamiento de los petróleos. Son fácilmente licuables a una presión baja y pueden transportarse en estado liquido en recipientes metálicos ligeros. Son utilizados como gases domésticos en las regiones donde no existe distribución de gas del alumbrado.

Hidrógeno:

El hidrógeno puro, generalmente producido por electrólisis del agua, no se utiliza como combustible mas que en soldadura autógena y en la fabricación de piedras preciosas sintéticas. En este caso es irreemplazable: como no contiene carbono, no existe el peligro de que altere la transparencia de las piedras.

Acetileno:

Se obtiene por acción del agua sobre el carburo de calcio. Da una llama muy caliente y muy brillante. Se emplea en soldadura y para el alumbrado; pero estas son aplicaciones accesorias: el acetileno es, sobre todo, un intermediario importante en numerosas síntesis químicas industriales

2.3.3 Elementos Contaminantes

Toxicidad de los no metales

PLOMO:

El plomo se encuentra en la naturaleza en forma de carbonato, y de sulfato, casi todo el plomo del comercio se obtiene del sulfuro que constituye el mineral galena.

Se trata de un metal color gris, pesado, blando y poco resistente a la tracción. Recién cortado presenta una superficie brillante que expuesta al aire, se empaña rápidamente por oxidación; la capa opaca de oxido lo protege de un ulterior ataque.

El plomo reacciona muy lentamente con el ácido clorhídrico, y el ácido sulfúrico y frío apenas lo ataca, por formarse sulfato insoluble que lo preserva de su acción ulterior. El plomo puesto en contacto con agua dura se recubre de una capa protectora de sales insolubles, como sulfato, bicarbonato básico o fosfato. El agua destilada y la de lluvia, que no contienen substancias disueltas capaces de formar esta película, atacan el metal a causa del oxigeno que llevan disuelto, y forman hidróxido de plomo, algo soluble.

Los compuestos solubles de plomo son venenosos, y por lo tanto, los tubos de plomo para conducir agua potable solo pueden utilizarse con seguridad si el agua es algo dura.

El plomo se usa para fabricar tubos de cañerías y revestir cables eléctricos. También se usan las instalaciones de ácido sulfúrico y en acumuladores de plomo.

Los vapores de plomo son los causantes de una gran enfermedad llamada saturnismo, caracterizada entre otros síntomas por anorexia, constipación pertinaz, anemia parálisis muscular, insomnio, angustia etc. Suele afectar a mineros que extraen plomo, a tipógrafos a pintores y a quienes fabrican acumuladores.

Existen diferencias importantes en la epidemiología, manifestaciones clínicas de la intoxicación por el plomo en los niños y adultos.

En los niños, la enfermedad debe ser debida a la malacia o pica (perversión del apetito que lleva al niño a ingerir cosas impropias para la nutrición) o mordisque de objetos decorados con pinturas que contienen plomo.

En los adultos, la intoxicación por plomo es comúnmente de origen profesional aunque raras veces puede ser causada por el consumo de bebidas o alimentos contaminados.

Los síntomas en los niños son: dolor abdominal, vómitos, somnolencia, irritabilidad, debilidad o convulsiones; coma, signos de elevación de la presión intracraneal.

En los adultos: anorexia, estreñimiento, molestias, intestinales, debilidad, fatiga, dolor de cabeza, palidez. En los casos graves puede haber espasmos abdominales. La <<línea del plomo>> solo puede aparecer cuando es deficiencia de la higiene de la boca.

ARSÉNICO:

El arsénico se encuentra libre en la naturaleza, y también combinado en diversos minerales: rejalgar, rojo, oropimente, amarillo, mispiquel

O pirita arsenical, cobaltina y arseniosita.

El trióxido de arsénico se obtiene tostando minerales de arsénico; él oxida sublima y se recoge como polvo blanco en la chimenea.

El arsénico es un sólido quebradizo, cristalino, de color gris de acero. Sublima fácilmente, formando vapores amarillos tóxicos de olor alacio.

El arsénico existe en tres formas alotrópicas: gris cristalinas, amarilla cristalinas y negra amorfa.

La variedad amarilla es análoga al fósforo blanco. La variedad gris se parece estructuralmente al fósforo violeta.

El arsénico es relativamente inerte a las temperaturas ordinarias, pero calentado al aire arde como llama azulada produciendo nubes blancas del trióxido sólido.

Aunque todos los compuestos solubles de arsénico son venenosos, algunos tienen uso en medicina. Los que lo consumen adquieren cierta tolerancia al mismo y pueden tomar mayores cantidades de las que otras personas no habituadas.

Los compuestos de arsénico se utilizan en agricultura en pulverizaciones y baños para ganado, con el fin de destruir insectos y parásitos.

Los síntomas de la ingestión de arsénico son:

Sabor metálico, dolor urente en esófago y estomago, dolores cólicos, vómitos y diarrea profusa con heces de”agua de arroz”. Seguida de deposiciones sanguilonentas, depresión, sed intensa, sequedad de boca y garganta, sensación de constricción en la garganta, olor aliaceo del aliento y las heces, vértigo, cefalea central, calambres musculares, piel fría, viscosa; Pulso pequeño, rápido y débil; extremidades frías, cianosis, respiración anhelante, estupor, colapso circulatorio, convulsiones, coma erupciones cutáneas, oliguria, albuminuria, hematuria.

ESTAÑO:

Se halla en la naturaleza en una proporción ponderal algo superior al 0,003% y suele presentarse combinado, especialmente bajo la forma de oxido o casiterita, muy abundante en Bolivia, Indonesia, y Malacia.

El estaño es un metal blanco, mas blando que el cinc, pero más duro que el plomo. A 200°C se vuelve muy quebradizo y puede pulverizarse.

El estaño se usa como recubrimiento protector del hierro en la hojalata. La hojalata se emplea para fabricar botes y objetos similares.

Asimismo se usa el estaño en la fabricación de aleaciones, tales como el hombre(cobre, estaño), metal de soldar (estaño, plomo), y metal de imprenta(estaño, plomo y antimonio.

Las aleaciones ricas en estaño se utilizan para elaborar el metal antifricción (metal blanco), con el que se recubre la cara interior de los cojinetes. La aleación con el plomo constituye la base de las denominadas soldaduras blandas.

El oxido estánico son discretamente nocivos, y en caso de inhalación de fuertes dosis se puede producir un aumento de temperaturas; la inhalación repetida suele causar una neuropatía.

El cloruro estánico puede producir irritación bronquial y enema pulmonar.

Los derivados orgánicos del estaño son muy tóxicos, pueden causar un cuadro de agitación y delirio al que siguen con frecuencia un estado de coma con hipertensión endocraneana.

MERCURIO:

Se encuentra nativo en la naturaleza en algunos casos, pero su mineral mas abundante es el cinabrio. Solo representa 0,5 ppm de la corteza terrestre.

Es el único metal que, a las temperaturas ordinarias, adopta el estado liquido.

No se oxida en el aire a temperaturas ordinarias, pero se combina lentamente con el oxigeno cuando se mantiene en la atmósfera cerca de su punto de ebullición. Por su inactividad general y su reducida presión de vapor, se emplean bombas de vacío, y en el laboratorio, para confinar gases.

A elevadas temperaturas, el vapor de mercurio conduce la corriente eléctrica.

El mercurio forma con muchos metales amalgamas, liquidas cuando la proporción del otro metal es pequeña, pero pastosas y hasta sólidas al aumentar dicha proporción. Las amalgamas de estaño, plata y oro se usan en odontología.

A pesar de sus beneficiosas aplicaciones médicas, el mercurio provoca unas intoxicaciones(como la estomatitis mercurial y el hidragirismo) que afectan diversos órganos, especialmente el riñón y los aparatos digestivo y nervioso.

Intoxicación mercurial aguda:

Síntomas: Cuando el tóxico se ha ingerido en forma concentrada produce: dolor urente ene la boca, garganta y estómago, salivación, dolores, cólicos, vómitos graves, náuseas, diarrea, pérdida copiosa de líquidos.

Intoxicación mercurial crónica:

Este envenenamiento puede ser consecuencia de la inhalación de vapores de mercurio o de polvo de sales mercuriales. El mercurio, puede absorberse a través de la piel intacta.

Los compuestos alquílicos de mercurio pueden causar perturbaciones mentales; excitación seguida de depresión, que puede ser grave y de larga duración.

CADMIO:

Como es más volátil que el cinc, el cadmio contenido en las menas de cinc se encuentra en la primera porción del metal que se obtiene; se separa del cinc por destilación fraccionada. También se separa y recupera en la afinación electrolítica del cinc. Si el voltaje se regula convenientemente únicamente se deposita cinc puro; el cadmio queda en el barro anódico del cual se recupera por destilación.

El cadmio es de color blanco con ligero tono azulado, siendo mucho más maleable que el cinc.

Se emplea principalmente en la preparación de aleaciones de bajo punto de fusión para extintores automáticos de incendios y fusibles, y también para recubrir hierro, a fin de protegerlo de la oxidación. Barras de cadmio se emplean en los reactores nucleares para absorber los neutrones y regular el proceso de fisión.

Las sales solubles más importantes del cadmio son el cloruro, eflorescente y el sulfato. El ión cadmio hidratado es un ácido débil.

Sintomatología:

Por ingestión: espasmos gástricos y abdominales violentos, vómitos, diarrea. Por inhalación: sequedad faríngea, tos, sensación de constricción torácica; coloración parda de la orina(óxido de cadmio): diseña intensa, piel fría.

CINC:

Es un metal blanco brillante con lustre gris azulado, soluble en ácidos y álcalis e insoluble en agua. Constituye el 0,013% de la corteza terrestre. No se encuentra nativo, aunque en pequeña proporción se halla frecuentemente en la composición de diferentes rocas.

Las menas empleadas en la metalurgia del cinc son el óxido, el carbonato y el sulfuro.

El cinc es un metal quebradizo a la temperatura ordinaria, pero maleable entre 120° y 150°C, manteniendo después su flexibilidad al enfriarse.

El metal es químicamente activo y desplaza al hidrógeno de los ácidos diluidos, aunque su acción es muy lenta cuando es pura. No se altera en el aire seco, pero en el húmedo se oxida, recubriéndose de una película adherente de carbonato básico que lo protege de toda acción ulterior. Calentado suficientemente en el aire, arde como llama verdosa, dando óxido de cinc blanco.

El cinc se usa para techados, canalones y cornisas.

Se emplea también en las pilas eléctricas como ánodo, y forma parte de aleaciones como el latón el metal Babbitt y la plata alemana.

UNIDAD 3 Enlace Químico

3.1 Introducción

Enlace químico, fuerza entre los átomos que los mantiene unidos en las moléculas. Cuando dos o más átomos se acercan lo suficiente, se puede producir una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos. Si esta fuerza es lo suficientemente grande para mantener unidos los átomos, se dice que se ha formado un enlace químico. Todos los enlaces químicos resultan de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo.

3.1.1 Concepto de Enlace Químico

Los enlaces químicos son las fuerzas de atracción que mantienen los átomos unidos. Los enlaces químicos se producen cuando los núcleos y los electrones de átomos diferentes interactúan y producdn átomos enlazados o iones que son más estables que los atomos mismos. Cuando se forma un enlace químico, se libera energía.

Una de las fuerzas impulsoras en la naturaleza es la tendencia de la materia a alcanzar el estado de energía más bajo posible. Generalmente, un estado de energía más bajo implica mayor estabilidad. Cuando algo es estable, opone más resistencia al cambio que algo menos estable. Los elementos se clasifican co base a su grado de estabilidad. Los elementos como el sodio y el flúor son muy reactivos (inestables); tienden a sufrir cambios químicos espontáneos. Cuando el sodio entra en contacto con el agua, arde en llamas. El gas flúor reacciona con muchas sustancias en forma explosiva. Las sustancias reactivas como el sodio y el flúor, después de sufrir un cambio químico, generalmente se vuelven más estables. Los elementos estables no sufren cambio alguno y no reaccionan aun bajo condiciones extremas. Los gases nobles como grupo, son los elementos más estables. El helio y el neón, por ejemplo, no forman compuestos estables.

3.1.2 Clasificación de los Enlaces Químicos

Sabemos que la manera en que los átomos se enlazan ejerce un efecto profundo sobre las propiedades físicas y químicas de las sustancias. ¿Qué es un enlace químico? Aunque esta pregunta se puede responder de diversas formas, el enlace se define como la fuerza que mantiene juntos a grupos de dos o más átomos y hace que funcionen como unidad. Por ejemplo en el agua la unidad fundamental es la molécula H-O-H cuyos átomos se mantienen juntos por dos enlaces O-H. Se obtiene información acerca de la fuerza del enlace midiendo la energía necesaria para romperlo, o sea la energía de enlace.

Veremos cómo los átomos interaccionan entre sí de diversas formas para formar agregados y se considerarán ejemplos específicos para ilustrar los diversos tipos de enlace. Existen tres tipos importantes de enlaces que se forman entre los átomos de un compuesto: iónico (o electrovalente), covalente (polar, no polar y el coordinado) y el enlace metálico.

3.1.3 Aplicaciones y limitaciones de la regla del octeto

A inicios del siglo XX, en 1916, de manera independiente, los científicos Walter Kossel y Gilbert Lewis concluyeron que la tendencia que poseen los átomos de lograr estructuras similares a las del gas noble más cercano explica la formación de los enlaces químicos. Esta conclusión es mundialmente conocida como la Regla del Octeto y se enuncia de la siguiente manera:

“Cuando se forma un enlace químico los átomos reciben, ceden o comparten electrones de tal forma que la capa más externa de cada átomo contenga ocho electrones, y así adquiere la estructura electrónica del gas noble más cercano en el sistema periódico”.

No obstante, hay muchas excepciones a esta regla y hasta se han logrado sintetizar algunos compuestos de los gases nobles.

Una de las claves de la comprensión de la fuerza motriz del enlazamiento químico, fue el descubrimiento de los gases nobles y su comportamiento químico relativamente inerte. Los gases nobles han sido utilizados cuando se ha hecho necesario tener una sustancia inactiva. Los buzos normalmente usan una mezcla de nitrógeno y oxígeno a presión para respirar bajo el agua. Sin embargo, cuando esta mezcla de gases es usada en profundidades, donde la presión es muy alta, el gas nitrógeno es absorbido por la sangre, con la posible consecuencia de causar desorientación mental. Para evitar este problema, se puede sustituir por una mezcla de oxígeno y helio. El buzo todavía obtiene el oxígeno necesario, pero el inactivo helio que se disuelve en la sangre no causa desorientación mental. El único inconveniente radica en que la menor densidad de la mezcla puede cambiar el ritmo de la vibración de las cuerdas vocales, y el buzo puede emitir sonidos similares al del pato Donald.

3.2 Enlace Covalente

Lewis expuso la teoría de que todos los elementos tienen tendencia a conseguir configuración electrónica de gas noble ( 8 electrones en la última capa ). Elementos situados a la derecha de la tabla periódica ( no metales ) consiguen dicha configuración por captura de electrones; elementos situados a la izquierda y en el centro de la tabla ( metales ), la consiguen por pérdida de electrones. De esta forma la combinación de un metal con un no metal se hace por enlace iónico; pero la combinación de no metales entre sí no puede tener lugar mediante este proceso de transferencia de electrones; por lo que Lewis supuso que debían compartirlos.

Es posible también la formación de enlaces múltiples, o sea, la compartición de más de un par de electrones por una pareja de átomos. En otros casos, el par compartido es aportado por sólo uno de los átomos, formándose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo. Se han encontrado compuestos covalentes en donde no se cumple la regla. Por ejemplo, en BCl3, el átomo de boro tiene seis electrones en la última capa, y en SF6, el átomo de azufre consigue hasta doce electrones. Esto hace que actualmente se piense que lo característico del enlace covalente es la formación de pares electrónicos compartidos, independientemente de su número.

Enlace covalente no polar:

• se crea de una unión de dos átomos de no metales de igual electronegatividad por medio de un par de electrones que se comparten por igual

• la diferencia de electronegatividad es cero o muy cercana a cero

• se puede presentar en un estado sólido, líquido o gas

• no son conductores de la electricidad

• se da entre no metales

• los electrones de enlace quedan en medio de los átomos

Enlace covalente polar:

• se da cuando los electrones que se comparten son dos no metales distintos

• existe una diferencia de electronegatividad aunque es menor que en los compuestos iónicos

• tienen puntos de fusión y ebullición bajos

• en general son conductores pobres de la electricidad

• se da entre no metales

• pueden ser presentados en los tres estados de la materia

• Enlace covalente en el cual uno solo de los átomos involucrados aporta el par de electrones de enlace que se comparte

Enlace covalente coordinado:

• Enlace covalente en el cual uno solo de los átomos involucrados aporta el par de electrones de enlace que se comparte

• Son compuestos poco solubles en agua

• Tienen puntos de fusión y ebullición bajos

• En general son conductores pobres de la electricidad

• Se da entre no metales

• Pueden presentarse en los tres estados de la materia

Propiedades de los compuestos covalentes

Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la agitación térmica domina, ya a temperaturas bajas, sobre las débiles fuerzas de cohesión. La mayor parte de las sustancias covalentes, a temperatura ambiente, son gases o líquidos de punto de ebullición bajo ( ejem.: agua ). En cuanto a la solubilidad, puede decirse que, en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes apolares y no lo son en disolventes polares. Se conocen algunos sólidos covalentes prácticamente infusibles e insolubles, que son excepción al comportamiento general descrito. Un ejemplo de ellos es el diamante. La gran estabilidad de estas redes cristalinas se debe a que los átomos que las forman están unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Para deshacer la red es necesario romper estos enlaces, los cual consume enormes cantidades de energía

3.2.1 Teorías Para Explicar el enlace covalente sus alcances

Fuerzas intermoleculares

A diferencia que sucede con los compuestos iónicos, en las sustancias covalentes existen moléculas individualizadas. Entre estas moléculas se dan fuerzas de cohesión o de Van der Waals, que debido a su debilidad, no pueden considerarse ya como fuerzas de enlace. Hay varios tipos de interacciones: Fuerzas de orientación ( aparecen entre moléculas con momento dipolar diferente ), fuerzas de inducción ( ion o dipolo permanente producen en una molécula apolar una separación de cargas por el fenómeno de inducción electrostática ) y fuerzas de dispersión ( aparecen en tres moléculas apolares ).

ELECTROVALENCIA Y COVALENCIA

Teniendo presenta las teorías de los enlaces iónicos y covalentes, es posible deducir la valencia de un elemento cualquiera a partir de su configuración electrónica.

• La electrovalencia, valencia en la formación de compuestos iónicos, es el número de electrones que el átomo tiene que ganar o perder para conseguir la configuración de los gases nobles.

• La covalencia, número de enlaces covalentes que puede formar un átomo, es el número de electrones desapareados que tiene dicho átomo. Hay que tener presente que un átomo puede desaparecer sus electrones al máximo siempre que para ello no haya de pasar ningún electrón a un nivel energético superior.

3.3 Enlace Iónico

El enlace iónico consiste en la atracción electrostática entre átomos con cargas eléctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre átomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Es necesario que uno de los elementos pueda ganar electrones y el otro perderlo, y como se ha dicho anteriormente este tipo de enlace se suele producir entre un no metal ( electronegativo ) y un metal ( electropositivo ).

Un ejemplo de sustancia con enlace iónico es el cloruro sódico. En su formación tiene lugar la transferencia de un electrón del átomo de sodio al átomo de cloro. Las configuraciones electrónicas de estos elementos después del proceso de ionización son muy importantes, ya que lo dos han conseguido la configuración externa correspondiente a los gases nobles, ganando los átomos en estabilidad. Se produce una transferencia electrónica, cuyo déficit se cubre sobradamente con la energía que se libera al agruparse los iones formados en una red cristalina que, en el caso del cloruro sódico, es una red cúbica en la que en los vértices del paralelepípedo fundamental alternan iones Cl- y Na+. De esta forma cada ion Cl- queda rodeado de seis iones Na+ y recíprocamente. Se llama índice de coordinación al número de iones de signo contrario que rodean a uno determinado en un red cristalina. En el caso del NaCl, el índice de coordinación es 6 para ambos

3.3.1 Formación y propiedades de los enlaces iónicos

Las sustancias iónicas están constituidas por iones ordenados en el retículo cristalino; las fuerzas que mantienen esta ordenación son fuerzas de Coulomb, muy intensas. Esto hace que las sustancias iónicas sean sólidos cristalinos con puntos de fusión elevados. En efecto, para fundir un cristal iónico hay que deshacer la red cristalina, separar los iones. El aporte de energía necesario para la fusión, en forma de energía térmica, ha de igualar al de energía reticular, que es la energía desprendida en la formación de un mol de compuesto iónico sólido a partir de los correspondientes iones en estado gaseoso. Esto hace que haya una relación entre energía reticular y punto de fusión, siendo éste tanto más elevado cuanto mayor es el valor de aquella.

Por otra parte, la aparición de fuerzas repulsivas muy intensas cuando dos iones se aproximan a distancias inferiores a la distancia reticular ( distancia en la que quedan en la red dos iones de signo contrario ), hace que los cristales iónicos sean muy poco compresibles. Hay sustancias cuyas moléculas, si bien son eléctricamente neutras, mantienen una separación de cargas. Esto se debe a que no hay coincidencia entre el centro de gravedad de las cargas positivas y el de las negativas: la molécula es un dipolo, es decir, un conjunto de dos cargas iguales en valor absoluto pero de distinto signo, separadas a una cierta distancia. Los dipolos se caracterizan por su momento; producto del valor absoluto de una de las cargas por la distancia que las separa. Un de estas sustancias polares es, por ejemplo el agua.

Cuando un compuesto iónico se introduce en un disolvente polar, los iones de la superficie de cristal provocan a su alrededor una orientación de las moléculas dipolares, que enfrentan hacia cada ion sus extremos con carga opuesta a la del mismo. En este proceso de orientación se libera una energía que, si supera a la energía reticular, arranca al ion de la red. Una vez arrancado, el ion se rodea de moléculas de disolvente: queda solvatado. Las moléculas de disolvente alrededor de los iones se comportan como capas protectoras que impiden la reagrupación de los mismos. Todo esto hace que, en general, los compuestos iónicos sean solubles en disolventes polares, aunque dependiendo siempre la solubilidad del valor de la energía reticular y del momento dipolar del disolvente. Así, un compuesto como el NaCl, es muy soluble en disolventes como el agua, y un compuesto como el sulfato de bario, con alta energía reticular, no es soluble en los disolventes de momento dipolar muy elevado.

3.3.2 Redes Cristalinas

La distancia entre partículas se llama “traslación” y pueden tener distintas direcciones. Podemos representarlas por la “ teoría de las redes cristalinas” constituidos por nudos. Están separadas por traslaciones (vectores), que son en cada caso una distancia fija. Una fila de nudos forma una red monodimensional. Dos filas reticulares conjugada forman una red bidimensional, el conjunto de las dos traslaciones forma una celda.

Si encontramos una tercera traslación forman una red tridimensional

Y los ángulos serán ð , ð , , y los módulos se llaman a, b y c y estas son constantes reticulares.

Propiedades: debido a estas constantes reticulares son periódicas. Otra característica es la homogeneidad, es decir, todos los nudos son idénticos, independientemente de la posición. Además son simétricos, es decir, la operación que hace coincidir dos nudos homólogos, esto es debido a las traslaciones. La magnitud de la traslación varía con la dirección y por lo tanto decimos que es anisótropa.

En una red tridimensional la celda principal es un paralelogramo.

Redes planas.

Obtenemos los distintos valores para a y b y para ð Encontramos varios tipos: oblicua, rectangular, rómbica, hexagonal, cuadrada. Además podemos encontrar dos más, añadiendo un nudo en la operación de centralización, pero esto sólo es válido para las redes rectangular y rómbica, puesto que al añadir un nuevo nudo debe generar una nueva red. Así al añadir un nudo en la red rectangular obtenemos rombos y al añadir un nudo en la red rómbica se originan rectángulos.

En total hay siete redes planas.

Redes tridimensionales.

Las redes primitivas se les denominan con P y a las redes centradas A, B y C. Cuando centramos todas las caras la llamamos F. Cuando además puedo centrarla en el interior la denomino I.

3.4 Enlace Metálico

Los elementos metálicos sin combinar forman redes cristalinas con elevado índice de coordinación. Hay tres tipos de red cristalina metálica: cúbica centrada en las caras, con coordinación doce; cúbica centrada en el cuerpo, con coordinación ocho, y hexagonal compacta, con coordinación doce. Sin embargo, el número de electrones de valencia de cualquier átomo metálico es pequeño, en todo caso inferior al número de átomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes.

En el enlace metálico, los átomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos. Intuitivamente, la red cristalina metálica puede considerarse formada por una serie de átomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.

3.4.1 Teoría de las Bandas, Teorías para explicar el enlace y propiedades.

Consiste en un conjunto de cargas positivas que son los átomos metálicos desprovistos de sus electrones de valencia, los cuales pertenecen y unen a todos los cationes. Los metales en estado sólido forman un retículo cristalino tridimensional, en cuyos nudos hay los cationes metálicos, y entre ellos se mueven libremente los electrones de valencia. Puede decirse que los orbitales atómicos de valencia se superponen en gran número dando lugar a bandas de energía continuas en las que los electrones se desplazan libremente. Los electrones están totalmente deslocalizados, lo que significa que el enlace es completamente adireccional. En las sustancias metálicas, como en las iónicas, no existen moléculas, es el cristal en su conjunto el que se considera como una molécula, ya que los enlaces se extienden en las tres direcciones del espacio. Los sólidos metálicos son excelentes conductores eléctricos y térmicos, debido a la existencia de electrones libres, poseen brillo metálico y son tenaces, dúctiles y opacos.

Generalmente se considera que el enlace metálico consiste de un grupo de iones positivos y una gran cantidad de electrones, los cuales pueden moverse libremente entre los iones. Este comportamiento influye sobre las propiedades generales de los metales como en el caso de su habilidad para conducir la corriente eléctrica.

Por ejemplo:

En un trozo de sodio metálico, los iones están localizados en una posición fija en el metal y los electrones de valencia (uno por cada átomo de sodio) están libres para moverse entre las varias nubes electrónicas.

Por tanto, en los metales las fuerzas de atracción que deben superarse para realizar la conversión del estado sólido al estado líquido o desde el estado líquido al estado gaseoso son bastante fuertes. Por supuesto, estas fuerzas de atracción varían de un metal a otro pero en general son muy fuertes.

3.4.2 Clasificación De los sólidos en base a su conductividad eléctrica, aislante, conductor, semiconductor.

RELACION DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE LOS METALES (CONDUCTIVIDAD TERMICA Y ELETRICA) MEDIANTE EL RECURSO DE LA TEORIA DE LAS BANDAS.

Para comprender la relación de las propiedades físicas de los metales mediante la teoría de las bandas, primero debemos entender esta teoría.

La teoría de las bandas hace referencia al aglutinamiento de los átomos en los metales, esta establece que los electrones deslocalizados se mueven libremente a través de las "bandas" que se forman por el solapamiento de los orbítales moleculares. Al estar tan amontonados los átomos de un metal, los orbítales moleculares quedan muy cerca uno de otro, tanto así que los orbítales tienen energías tan parecidas que quedan mejor descritos como una banda.

Entonces los niveles energéticos llenos de cada átomo, tan parecidos uno del otro, constituyen una banda de valencia. Sobre esta banda de valencia se forma otra banda por encima de ésta, correspondiente a los orbítales deslocalizados y vacíos que se forman por el solapamiento de los orbítales mas externos, dicha banda recibe el nombre de "banda de conducción".

Entonces la relación de las propiedades físicas de los metales es debido a que la banda de valencia y la banda de conducción son adyacentes entre sí, y la cantidad de energía que se requiere para promover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción es prácticamente despreciable.

Una vez en la banda de conducción, el electrón puede desplazarse a través de todo el metal, ya que la banda de conducción carece de electrones.

Podemos concluir con todo lo anteriormente dicho, que en todos los metales el espacio energético entre las bandas de conducción y de valencia es prácticamente nulo, y esto permite el fácil flujo de electrones mediante la promoción de un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción y de allí, el flujo del electrón por todo el metal.

COMPARACION DE LOS NO METALES, METALES Y SEMI METALES EN CUANTO A SU CONDUCTIVIDAD A TRAVES DE LA TEORIA DE LAS BANDAS.

Como ya hemos explicado antes, los metales son conductores de electricidad por excelencia debido a su propiedad adyacente en las bandas de conducción.

Una gran cantidad de elementos son semi-conductores, o sea, que no son conductores pero conducen la electricidad a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de algunos elementos.

En los semi-conductores el espacio energético entre las bandas llenas y vacías, o sea, las de conducción y de valencia es mucho menor que la de los metales. Debido al pequeño espacio energético entre las bandas si se le suministra la energía suficiente, el electrón se excita y pasa de una banda a otra.

Este comportamiento es opuesto al de los metales ya que al aumentar la temperatura en un metal la conducción de electricidad disminuye porque los átomos en el metal empiezan a vibrar y esto tiende a impedir o romper con el flujo de los electrones.

El caso de los no metales, la conductividad eléctrica (de un sodio) depende del distanciamiento energético de las bandas y si el no metal considerado como aislante entonces ese espacio energético es muy grande, por lo que se dificulta la promoción de un electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Es decir que se requiere de demasiada energía para excitar un electrón hacia la banda de conducción.

SEMI CONDUCTORES

Características generales de los semi- conductores

• Para temperaturas muy bajas, tienen una resistencia comparable con la de los cuerpos aislantes.

• Para temperaturas relativamente altas tienen una resistencia comparable a la de los cuerpos semiconductores.

• También el estado de pureza de un cuerpo semiconductor influye en su resistencia.

• En estado puro tienen una resistencia comparable a las de los materiales aislantes.

• Cuando contienen algunas impurezas (distintas para cada cuerpo semiconductor) su resistencia puede llegar a ser como la de un conductor.

• Su comportamiento eléctrico depende esencialmente de su estructura atómica.

• Una característica fundamental de los semiconductores es de poseer 4 electrones en su orbita.

• Los elementos como el silicio (Si) y el germanio (Ge) agrupan sus átomos formando una estructura reticular.

Clasificación de los semi- conductores.

Mientras que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasas resistencia al paso de los electrones y los electrones ofrecen elevadísima resistencia los semiconductores presentan una resistencia intermedia.

Semiconductores intrínsecos

Un elemento semiconductor mas utilizados son (germanio, silicio). Estos elementos agrupan sus átomos de modo muy particular, formando una estructura reticular. Cada átomo de silicio ocupa siempre el centro de un cubo que posee otros 4 átomos, el átomo al estar rodeado por otros 4 “enlace covalentes” este caso el átomo se hace estable, pues se comporta como si tuviese 8 electrones.

Pero al aplicarle aumenta la agitación desordenada de electrones, con lo que algunos de su periferia se salen de su orbita rompiendo sus enlace covalente, cuanta es mas alta la temperatura, mayor es la agitación y el numero de enlaces covalentes rotos junto con la de electrones libres, (hueco, carga positiva) dentro de estas condiciones, a una determinada temperatura habrá dentro de la estructura cristalina una cierta cantidad de electrones libres y la misma de huecos.

En este caso un electrón de los que forman enlaces covalentes no puede saltar fuera del enlace bajo el único efecto de la tensión, sino las fuerzas combinadas con la temperatura.

Semiconductor extrínsecos tipo n.

Debido a la estructura reticular del germanio y el silicio, cuyos átomos forman el centro de un cubo y este tiende a hacerse estable por lo tanto aislante, puesto que tienen bien sujetos a sus electrones ahora hasta que no se le aplique los factores de la temperatura. Pero al aplicarle una diferencia de potencial se consigue una débil corriente proporcional a la temperatura ya que no es muy útil en aplicaciones

Tipo”N”

Para aumentar el numero de portadores de electrones libres a este tipo de semiconductor (intrínseco) se le añaden impurezas estas impurezas tiende a aumentar el numero de electrones libre.

El átomo de antimonio (Sb) se dice que es pentavalente porque dispone de 5 electrones en su orbita mas externa. Ahora si ala estructura de ya conocida del semiconductor (intrínsecos, germanio o silicio puro) estas impureza ocupa un lugar donde debería ir otro átomo de (germanio o silicio) de este modo tratara de formar con el 4 enlaces covalentes necesario para estabilizarse. U como en su orbita le sobra un electrón este tiende a soltarle y así este pasa a ser un electrón libre. Por eso habrá más electrones libres que hueco (cargas positiva).

En este caso los portadores mayoritarios serán los electrones libres (cargas negativas).

Semiconductores intrínsecos tipo p.

El boro en un elemento trivalente, al igual que el aluminio por disponer de 3 electrones en la orbita de valencia.

Al añadir impurezas trivalentes al semiconductor intrínseco y entrar estas a formar parte de la estructura cristalina. Quedan dichas impurezas rodeadas por 4 átomos de silicio o germanio con los a de formar 4 enlaces covalentes cosa que le sobrara un electrón pero en este caso no queda libre sino que falta un electrón en su enlace covalente.

.

Por cada átomo de impureza trivalente que se añade al semiconductor intrínseco habrá un mayor número de huecos (cargas positivas) que de electrones libres.

En este caso los huecos serán los portadores mayoritarios y los electrones libres minoritarios. Sometiendo a una circulación de corriente al semiconductor tipo veremos una mayor circulación de portadores mayoritarios tipo n.

Ahora si hacemos lo mismo con un semiconductor tipo p observamos que será diferente

.

En este caso como la impureza tiende a hacer que falten mas enlaces con los electrones, estos serán atraídos por el polo negativo, se producen dos corrientes una importante que es la de huecos y otra débil de electrones libres.

Uniones “P” Y “N”

Antes de ver este tipo de semiconductor hay que tener presente el “fenómeno de la difusión”, y es cuando entra en contacto dos elementos de diferentes concentraciones se produce un fenómeno de agitación térmica llamado “difusión”, que tiende a igualar las concentraciones en ambos.

Uniones del semiconductor tipo”p” con “n”

Como hemos vistos un semiconductor tipo (p) dispone mas “huecos” libres (mayoritarios) que de electrones libres o portadores minoritarios, pero la carga total de ellos dos es neutra.

Al colocar parte del semiconductor de tipo “p” junto a otra parte del semiconductor tipo “n” debido a la ley de la difusión los electrones de la zona”n”,con alta concentración de los mismo, tienden a dirigirse a la zona “ que tiene en pocos del tipo “n” y a si lo contrario. Con los huecos en la zona “n” que tratan de dirigirse de la zona “p” a la zona “n”

La ley de difusión impulsa a los electrones de la zona “n” a fundirse hacia la zona “p” y a los huecos de “p” a dirigirse hacia la zona “n” así produciéndose un encuentro que tiende a neutralizar ambas cargas (huecos y electrones libres) formándose dicha unión estable y neutra. De todas formas que la zona “n” era en principio neutra y colocarla junto con la zona “p” pierde electrones. A esta zona se le llama “barrera de potencial” lo que impide la continuación de la difusión.

Diodos semiconductores.

Al unir un trozo de semiconductor de tipo “n” con otro tipo “p” se forma entre ambos una zona neutra y aislante, entre cuyos extremos existe una barrera de potencial. Una vez detenido el fenómeno de la difusión por la barrera de potencial se puede polarizar externamente dicha unión n-p, de forma que la tensión se oponga en la barrera de potencial.

La unión n-p se dice que esta polarizada directamente cuando se le aplica un potencial negativo a la zona n y el potencial positivo de la zona p puesto que al anular la barrera de potencial continua el fenómeno de la difusión pasando electrones mayoritarios de la zona n hacia los minoritarios de la zona p y siendo absorbidos por el polo positivo de la batería y al mismo tiempo el polo negativo repone los electrones absorbidos por el polo positivo y asimismo el fenómeno de difusión se describe de forma indefinida.

En este caso este tipo de unión entrara en conducción cuando se le polariza directamente a izquierda

3.5 Fuerzas Intermoleculares

Los átomos al unirse mediante enlaces covalentes pueden formar moléculas. Así, por ejemplo, sabemos que cuando el hidrógeno reacciona con el oxígeno se obtiene agua y que cada molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno unidos mediante enlaces covalentes. Sin embargo el agua es una sustancia que además de encontrarse en estado gaseoso puede ser líquida o sólida (hielo), de modo que se nos plantea la cuestión de cuál es el mecanismo mediante el que las moléculas de agua se unen entre sí, ya que si no existiera ninguna fuerza de enlace entre ellas el agua siempre se encontraría en estado gaseoso. El mismo tipo de razonamientos podría hacerse para el caso de otras sustancias covalentes como por ejemplo, el I2, que en condiciones ordinarias se encuentra en estado sólido. Por otra parte, sabemos que muchas sustancias covalentes que a temperatura y presión ambientales se hallan es estado gaseoso, cuando se baja la temperatura lo suficiente pueden licuarse o solidificarse. De esta forma se puede obtener, por ejemplo, dióxido de azufre sólido enfriando SO2 a una temperatura inferior a -76°C.

3.5.1 Van der Waals

Estas interacciones ocurren cuando las moléculas están muy próximas. Todas las fuerzas de van der Waals son cohesivas y varían con respecto a la distancia como 1/r6. Las fuerzas de van der Waals son consideradas como la explicación molecular para las energías cohesivas de los líquidos y son semejantes en magnitud a las entalpías de vaporización de muchos líquidos, su valor aproximado es de -41.84 kJ mol-1. Estas interacciones son dominantes en reacciones en donde la proximidad es importante y se clasifican en:

Interacciones dipolo-dipolo: ocurren cuando moléculas con dipolos permanentes interactúan, los dipolos deben orientarse y son muy sensibles a la orientación, distancia y temperatura. Los dipolos permanentes pueden inducir µ en una molécula neutra semejante a lo que sucede en las interacciones ion-dipolo.

Las interacciones dipolo-dipolo inducido, dependen de la polarizabilidad de la molécula neutra. Dipolo instantáneo, µ es una medida dependiente del tiempo, por ello es capaz de inducir una interacción dipolo inducido-dipolo inducido. A estas fuerzas se les denominan fuerzas de London o de dispersión, estas fuerzas son importantes en moléculas con una elevada proximidad y decaen rápidamente con la distancia.

La energía atractiva de interacción representada por las fuerzas de van der Waals a menudo se define como:

Energía potencial =

En donde A es una constante para cada molécula. Una gráfica para la energía atractiva muestra que la fuerza de atracción se incrementa rápidamente mientras las moléculas se acercan hasta que entran en contacto y la energía de interacción tiende a infinito

U 5 10 15 20

distancia (nm)

Figura: representación del cambio en la energía de atracción entre moléculas.

A medida que una molécula trata de ocupar el mismo espacio que la otra, entra en juego otro factor, la repulsión electrónica a esto se le conoce como potencial de Lennard-Jones y tiene un comportamiento muy similar al graficado anteriormente

3.5.2 dipolo-dipolo

Existen gases cuyas moléculas están formadas por átomos que tienen diferente electronegatividad (enlace covalente polar) y que se hallan dispuestos de forma que en la molécula existen zonas con mayor densidad de electrones que otras (polo negativo y positivo respectivamente). Este es el caso, por ejemplo, de los gases fluoruro de hidrógeno (HF), cloruro de hidrógeno (HCl), bromuro de hidrógeno (HBr) y ioduro de hidrógeno (HI).

Ejemplo:

La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces  H-O-H  aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.

Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo.

Fig.4

fig. 5

Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades fisicoquímicas.

3.5.3 Puente de Hidrógeno

La unión intermolecular por puentes de hidrógeno se produce en moléculas formadas por átomos de hidrógeno y elementos de elevada electronegatividad y tamaño pequeño, como es el caso del flúor, oxigeno o nitrógeno (que son los únicos elementos cuyos átomos pueden formar puentes de hidrógeno), el par de electrones que forma el enlace esta fuertemente atraído  por el átomo más electronegativo, produciéndose una polarización del enlace. Esto proporciona una carga parcial positiva al átomo de H y una carga parcial negativa al otro átomo. En virtud de estas cargas, puede establecerse atracción eléctrica entre los hidrógenos de una molécula y los átomos electronegativos de una molécula vecina.

Como el enlace de Van der Waals, el puente de hidrógeno es mucho menos energético que el enlace covalente o el iónico, con los valores de entre 1 y 10 Kcal/mol.

Un ejemplo lo encontramos en la molécula de agua, donde los electrones de la unión H-O se encuentran fuertemente atraídos por el átomo de oxigeno. Por ello, el núcleo de hidrógeno H+ va a actuar como polo positivo de gran intensidad que establece uniones de tipo electrostático con los átomos de oxigeno de las moléculas cercanas. Gráficamente, la unión del puente de hidrógeno se representa mediante una línea de puntos.

 

 El enlace anterior entre el oxígeno y el hidrógeno de moléculas de agua distintas (representado aquí por una línea punteada) recibe el nombre de enlace de hidrógeno. Un enlace de hidrógeno es una unión de tipo intermolecular generada por un átomo de hidrógeno que se halla entre dos átomos fuertemente electronegativos. De hecho sólo los átomos de F, O y N tienen la electronegatividad y condiciones necesarias para intervenir en un enlace de hidrógeno. La clave de la formación del enlace de hidrógeno es el carácter fuertemente polar del enlace covalente entre el hidrógeno H y otro átomo (por ejemplo O). La carga parcial positiva originada en el átomo de hidrógeno atrae a los electrones del átomo de oxígeno de una molécula vecina. Dicha atracción se ve favorecida cuando ese otro átomo es tan electronegativo que tiene una elevada carga parcial negativa.

 El hidrógeno es el único átomo capaz de formar este tipo de enlace porque al ser tan pequeño permite que los otros átomos más electronegativos de las moléculas vecinas puedan aproximarse lo suficiente a él como para que la fuerza de atracción sea bastante intensa. Este tipo de enlace intermolecular es el responsable, por ejemplo, de la existencia de océanos de agua líquida en nuestro planeta. Si no existiera, el agua se encontraría en forma de vapor.

3.5.4 Electrostáticas

Las interacciones electrostáticas pueden debilitarse cuando otros iónes diferentes se encuentran en la cercanía, modificando el campo eléctrico, o bien, cuando los iones se disuelven en un solvente capaz de rodearlos y apantallar las cargas eléctricas (solvente áltamente dieléctrico, propiedad que caracteriza a la cinta de aislar). Un solvente con esta caraterística es el agua y por ello, los enlaces iónicos, de gran fuerza en un cristal de sal, se vuelven débiles en una masa de  acuosa y la sal se disuelve.

Muchas moléculas que poseen enlaces covalentes de gran polaridad pueden, en solventes altamente dieléctricos (como el agua), reorganizar la compartición de electrones para dar lugar a dos iones. Como estos iones son rápidamente rodeados de moléculas de agua, lejos de permanecer unidos, se separan y permanecen independientes en la solución. El proceso es, por supuesto, reversible y dos iones afines pueden reaccionar para regenerar el enlace covalente. De nuevo un ejemplo de esto es el agua, cuya reacción de disociación es bien conocida.

A pesar de que los iones en una solución acuaso tienden a permanecer solvatados y por lo tanto sólo interaccionan brevemente, en moléculas en las que el ión está encerrado en regiones de la molécula que tienen poco contacto con el agua, estos iones buscarán un ión de carga opuesta para formar un puente salino, siempre que los iones puedan acecarse lo suficiente.

En muchas proteínas, el balance de zonas polares y no polares obliga al polímero a adoptar una estructura de tipo globular en la que extensas regiones de la proteína se encuentran escondidas del agua (gracias a las  mal llamadas interacciones hidrofóbicas). En estas regiones los puentes salinos poseen gran importancia para mantener la estabilidad de la conformación de la proteína. Por supuesto, cualquier condición que provoque la exposición de las regiones interiores de la proteína, permitirá la solvatación de los iones y la ruptura de los puentes salinos.

3.6 Aplicaciones

Principales aplicaciones industriales: corrosión y protección de metales y existencia de pilas y baterías.

• Ajuste de reacciones redox tanto en medio ácido como alcalino, pudiendo incluirse compuestos orgánicos sencillos.

• Resolver problemas estequiométricos de procesos Redox.

• Predecir el sentido de una reacción redox teniendo en cuenta los potenciales estándar de electrodo.

• Procesos electrolíticos (cloruro sódico fundido, agua acidulada, cobre).

• Estudio cuantitativo de las Leyes de Faraday.

• Cálculo de la fuerza electromotriz de una pila.

• No se considera la ecuación de Nerst.

• Implicaciones industriales, económicas y medioambientales de los procesos redox: corrosión y protección de metales utilizando como referencia el hierro, baterías, proceso siderúrgico y procesos de oxidación de los alimentos.

Principales aplicaciones de la química del carbono en la industria química.

Reacciones de polimerización y ejemplos de polímeros artificiales: PVC, nailon y caucho.

• Reactividad de los compuestos orgánicos:

• Reacciones en una etapa.

• Definición de los principales tipos de reacciones orgánicas: sustitución, adición y eliminación.

• Se aplicará el criterio de evaluación número 18: relacionar el tipo de hibridación con la multiplicidad y la geometría de los enlaces de los compuestos del carbono en los hidrocarburos. Formular correctamente los diferentes compuestos orgánicos monofuncionales.

• Principales aplicaciones de la química del carbono en la industria química: aplicaciones a los polímeros, PVC, nailon y caucho.

UNIDAD 4 Los Compuestos Químicos

4.1 Clasificación y nomenclatura de los compuestos inorgánicos

4.1.1 Óxidos

Compuesto binario del oxígeno con otro elemento. El oxígeno se puede combinar directamente con todos los elementos, excepto con los gases nobles, los halógenos y algunos de los metales menos activos, como el cobre y el mercurio, que reaccionan lentamente para formar óxidos incluso cuando se les calienta, y el platino, el iridio y el oro, que únicamente forman óxidos por métodos indirectos.

Los óxidos pueden ser compuestos iónicos o covalentes dependiendo de la posición que ocupa en la tabla periódica el elemento con el que se combina el oxígeno. Los óxidos de los elementos situados a la izquierda son iónicos, los de los elementos situados a la derecha y en la parte superior de sus grupos son moléculas covalentes, y con los elementos de la parte central de la tabla el tipo de enlace que se forma es intermedio.

La mayor parte de los óxidos de los elementos no metálicos existen como moléculas covalentes sencillas y sus puntos de fusión y ebullición son muy bajos. Estos óxidos reaccionan con el agua para dar ácidos, por lo que también se les conoce como óxidos ácidos.

Los metales con energías de ionización bajas tienden a dar óxidos iónicos que reaccionan con el agua formando hidróxidos, y se les denomina por ello óxidos básicos. Al aumentar la energía de ionización de los átomos metálicos, el carácter de los enlaces metal-oxígeno es intermedio entre iónico y covalente y los óxidos muestran características ácidas y básicas, por lo que se les conoce como óxidos anfóteros.

Si se comparan los óxidos que forman los elementos del tercer periodo de la tabla periódica, se pueden diferenciar en ellos los tres tipos de óxidos mencionados. El sodio y el magnesio, los elementos de mayor carácter metálico, forman óxidos básicos y sus disoluciones acuosas son alcalinas. Los elementos no metálicos como el cloro, azufre, fósforo y silicio, forman óxidos covalentes y sus disoluciones acuosas tienen carácter ácido. Por último, el aluminio forma un óxido anfótero cuyo carácter ácido o básico depende del medio en el que se encuentre.

¿Cómo se formulan?

Los óxidos tienen la siguiente formula, que se aplica a todas las combinaciones: X2On, donde X es el símbolo del elemento, el 2 corresponde a la valencia del oxígeno, la O es el símbolo del Oxígeno y la n es la valencia del otro elemento, sea metal o no metal.

¿Cómo se nombran?

Para nombrar los óxidos se utilizan las 3 nomenclaturas, la tradicional la Sistemática y la Stock.

Tradicional

Óxidos Básicos

Provienen de la combinación entre el oxígeno y un metal. Si el metal con el que se combina tiene una sola valencia se nombran con las palabras óxido de, y el nombre del metal con el que se combina.

Ejemplos:

CaO-------------------------------------Óxido de Calcio.

Na2O------------------------------------Óxido de Sodio.

Si el metal con el que se combina tiene dos valencias, se pone como en el de una valencia pero el nombre del metal acaba en oso cuando actua con la valencia menor y en ico cuando actua con la valencia mayor y se le quita el prefijo de.

Ejemplos:

FeO-------------------------------------Óxido ferroso (El hierro tiene en este caso valencia 2 y se simplifica).

Fe2O3-----------------------------------Óxido férrico (El hierro tiene en este caso valencia 3).

Óxidos Ácidos

Provienen de la combinación entre el oxígeno y un no metal. Si el no metal con el que se combina tiene una sola valencia se nombran con las palabras óxido de, y el nombre del metal con el que se combina acabado en ico.

Ejemplo:

B2O3------------------------------------Óxido bórico.

Si el no metal con el que se combina tiene dos o más valencias, se ponen al nombre las siguientes terminaciones:

Símbolo	Valencia	Prefijo	Sufijo
S, Se, Te	2	Hipo-	-oso
		4	------------------------	-oso
		6	------------------------	-ico
	N, P, As, Sb	1	Hipo-	-oso
		3	------------------------	-oso
		5	------------------------	-ico
	Cl, Br, I	1	Hipo-	-oso
		3	------------------------	-oso
		5	------------------------	-ico
		7	Per-	-ico

 

Ejemplos:

Br2O5-------------------------------------Óxido brómico.

Cl2O7-------------------------------------Óxido brómico.

Sistemática

Los óxidos, tanto ácidos como básicos se nombran escribiendo delante de la palabra óxido y del nombre del elemento unos prefijos, que indican el número de atomos del mismo elemento que tiene en esa molécula.

Prefijo	Número de átomos
mono-	1
di-	2
tri-	3
tetra-	4
penta-	5
hexa-	6
hepta-	7
octo-	8

La nomenclatura se aplica a la formula que ya está simplificada. El prefijo mono se puede suprimirse, esto significa que si un elemento no tiene prefijo significa que solo interviene un átomo de ese elemento en la misma formula.

Ejemplos:

As2S3-------------------------------------Trisulfuro de diarsénico.

PF5----------------------------------------Pentafluoruro de fósforo.

Stock

Los óxidos, tanto ácidos como básicos se nombran mediante las palabras óxido de seguida del nombre del elemento y un parentesis donde se pone la valencia del elemento en números romanos, tal y como estaba al principio sin sinplificar. Si un elemento tiene solo una valencia no se pone parentesis.

Ejemplos:

Fe2O3-------------------------------------Óxido de Hierro(III).

SO3----------------------------------------Óxido de Azufre (VI) Está simplificado.

FeO-----------------------------------------Óxido de Hierro (II) Está simplificado.

Na2O-------------------------------------- Óxido de Sodio. No se pone parentesis porque el Sodio solo tiene una

4.1.2 Hidróxido

Combinación que deriva del agua por sustitución de uno de sus átomos de hidrógeno por un metal. Se denomina también hidróxido el grupo OH formado por un átomo de oxígeno y otro de hidrógeno, característico de las bases y de los alcoholes y fenoles.

Los hidróxidos se formulan escribiendo el metal seguido del radical hidróxido; éste va entre paréntesis si el subíndice es mayor de uno. Se nombran utilizando la palabra hidróxido seguida del nombre del metal, con indicación de su valencia, si tuviera más de una. Por ejemplo, el Ni(OH)2 es el hidróxido de níquel (ii) y el Ca(OH)2 es el hidróxido de calcio (véase Nomenclatura química).

Las disoluciones acuosas de los hidróxidos tienen carácter básico, ya que éstos se disocian en el catión metálico y los iones hidróxido. Esto es así porque el enlace entre el metal y el grupo hidróxido es de tipo iónico, mientras que el enlace entre el oxígeno y el hidrógeno es covalente. Por ejemplo:

NaOH(aq) ! Na+(aq) + OH-(aq)

Nomenclatura de Hidróxidos

Se reemplaza la palabra ÓXIDO por la palabra HIDRÓXIDO.

Ejemplo:

el:

dá origen al:

Al2O3 óxido de aluminio

Al(OH)3 hidróxido de aluminio

FeO óxido ferroso

Fe(OH)2 hidróxido ferroso

4.1.3 Hidruros

Con carácter genérico, cualquier compuesto de hidrógeno con otro u otros elementos.

Casi todos los elementos son capaces de formar hidruros binarios, aunque en algunos casos es dudoso si el resultado de la acción del hidrógeno sobre ciertos metales es un compuesto químico verdadero o una disolución sólida.

Los hidruros iónicos o salinos son compuestos del hidrógeno con los metales alcalinos y alcalinotérreos. Su enlace es predominantemente iónico y reaccionan con el agua dando el hidróxido del metal correspondiente e hidrógeno. Estos hidruros son fuertemente reductores.

Los hidruros covalentes son compuestos del hidrógeno con elementos de electronegatividad intermedia. En general, son compuestos moleculares de bajos puntos de fusión y ebullición.

Los hidruros intersticiales se pueden considerar como una disolución sólida de átomos de hidrógeno en un metal. Son compuestos no estequiométricos con deficiencia de hidrógeno. Cuando estos hidruros se forman, apenas se modifican la estructura y las propiedades de los metales. Los más conocidos son los de paladio y níquel, que se utilizan como catalizadores en las reacciones de hidrogenación.

NOMENCLATURA DE HIDRUROS METÁLICOS

Se antepone la frase "HIDRURO DE" al nombre del METAL.

Ejemplo:

NaH Hidruro de sodio

BaH2 Hidruro de bario

NOMENCLATURA DE HIDRUROS NO METÁLICOS

Se agrega la terminación "URO" al nombre del NO METAL, seguido por la frase "DE HIDRÓGENO"

Ejemplo:

HF Fluoruro de hidrógeno

De los hidruros no metálicos los más importantes son:

HF	Fluoruro de hidrógeno
HCl	Cloruro de hidrógeno
HBr	Bromuro de hidrógeno
HI	Ioduro de hidrógeno
H2S	Sulfuro de hidrógeno

4.1.4 Ácidos

Los ácidos tienen un sabor agrio, colorean de rojo el tornasol (tinte rosa que se obtiene de determinados líquenes) y reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno.

Nomenclatura de los ácidos

Los ácidos orgánicos que poseen un solo grupo funcional carboxilo se denominan ácidos monocarboxilados. Se lo nombra cambiando la última vocal o del alcano respectivo por el sufijo oico. De allí que el alcano metanol se denomina ácido metanioco, el etanol se lo llama ácido etanoico, etc.

Clasificación de los Ácidos

Ácidos Alifáticos

Los ácidos monocarboxilados acíclicos saturados y no saturados se denominan también Ácidos Grasos por hallarse los términos superiores constituyendo las grasas.

Ácidos saturados alifáticos: también llamados acíclicos pues presentan cadenas que no forman ciclos (anillos). Presentan ligaduras simples entre cada carbono y pueden presentar uno o dos grupos carboxilos. En el primer caso se los denomina monocarboxilos o monoácidos y constituyen una serie ácida llamada forménica.

A los ácidos acíclicos que poseen dos funciones carboxílicas se los llama dicarbolilados ó diácidos. Su nomenclatura indica esta doble posición del grupo funcional con el sufijo dioico.

Ácidos no saturados etilénicos: Se caracterizan por poseer doble ligadura. Los ácidos etilénicos se denominan generalmente con el nombre de ácidos acrílicos.

Ácidos no saturados acetilénicos: estos ácidos se los denomina propiólicos y se caracterizan por poseer triple ligadura.

4.1.5 Sales

Compuestos iónicos formados por los cationes de las bases y los aniones de los ácidos.

Las sales se obtienen por reacción de los ácidos con los metales, las bases u otras sales, y por reacción de dos sales que intercambian sus iones.

Las sales en las que todos los hidrógenos sustituibles de los ácidos han sido sustituidos por iones metálicos o radicales positivos se llaman sales neutras, por ejemplo, el cloruro de sodio, NaCl.

Las sales que contienen átomos de hidrógeno sustituibles son sales ácidas, por ejemplo, el carbonato ácido de sodio (bicarbonato de sodio), NaHCO3. Las sales básicas son aquéllas que poseen algún grupo hidróxido, por ejemplo el sulfato básico de aluminio, Al(OH)SO4.

Las sales también pueden clasificarse de acuerdo con las fuerzas de los ácidos y las bases de las cuales derivan.

La sal de una base fuerte y de un ácido fuerte, por ejemplo el KCl, no se hidroliza al ser disuelta en agua, y sus disoluciones son neutras.

La sal de una base fuerte y de un ácido débil, por ejemplo el Na2CO3, sufre hidrólisis cuando se disuelve en agua, y sus disoluciones son básicas.

La sal de un ácido fuerte y una base débil, como el NH4Cl, también sufre hidrólisis, y sus disoluciones son ácidas.

A excepción de ciertas sales amónicas y de sales que son muy insolubles, las sales de un ácido débil y una base débil, como el Al2S3, experimentan en el agua hidrólisis completa, recuperándose el ácido y la base de iniciales.

FORMULACIÓN Y NOMENCLATURA DE LAS SALES.

El procedimiento para establecer la fórmula de una sal ternaria, es análogo al utilizado para las sales binaria, la diferencia fundamental radica en que en este caso al reemplazar el hidrógeno, quedan dos elementos para combinarse con el metal.

Una forma simple de determinar la fórmula de la sal es la siguiente:

EJEMPLO:

1)

Para nombrar las sales ternarias, simplemente se cambia el sufijo del ácido que las origina, de la siguiente forma:

Fórmula Sistema tradicional Sistema de Stock

Fe2(SO4)3 sulfato férrico sulfato de fierro (III)

NaNO3 nitrato de sodio nitrato de sodio

Al(ClO4) perclorato de aluminio perclorato de aluminio

PbSeO3 selenito plumboso selenito de plomo (II)

Cu(NO2)2 nitrito cúprico nitrito de cobre (II)

Co3(PO4)2 ortofosfato cobáltoso ortofosfato de cobalto (II)

Ni(IO)3 hipoyodito niquélico hipoyodito de niquel (III)

Ca(ASO3)2 metaarseniato de calcio metaarseniato de calcio

HgCrO4 cromato mercúrico cromato de mercurio (I)

K2Cr2O7 dicromato de potasio dicromato de potasio

4.2 Reacciones químicas de los Compuestos Inorgánicos

Reacción química, proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción. Un ejemplo de reacción química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno del aire con el hierro.

4.2.1 Combinación

Es un fenómeno químico, y a partir de dos o más sustancias se puede obtener otra (u otras) con propiededes diferentes. Para que tenga lugar, debemos agregar las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y  para producirse efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorver calor (intercambio de energía).  

Ejemplos: una cierta cantidad de cobre reaccionará con el oxígeno del aire cuando se le acerque la llama de un mechero, entonces se combinan el cobre y oxígeno, gracias a la energía proporcionada por el calor de la llama del mechero.

4.2.2 Descomposición

Es un fenómeno químico, y a partir de una sustancia compuesta (formada por 2 ó más átomos), puedo obtener 2 ó más sustancias con diferentes propiedades.

Ejemplos: al calentar óxido de mercurio, puedo obtener oxígeno y mercurio; puedo hacer reaccionar el dicromato de amonio para obtener nitrógeno, óxido crómico y agua.

4.2.3 Sustitución

Reacción química en la que un átomo o un grupo de átomos es sustituido por otros átomos o grupos de átomos. Las reacciones de sustitución son muy frecuentes en química orgánica, y se clasifican según su mecanismo. Una sustitución radical (SR) transcurre a través de etapas intermedias en las que existen radicales libres. Un ejemplo es la cloración del metano:

CH4 + Cl2 ! CH3Cl + HCl

Las sustituciones nucleófilas (SN) son aquellas en las que la reacción se produce a través de moléculas que poseen un par de electrones disponibles (reactivos nucleófilos), por ejemplo OH- o Br-. Dentro de éstas se distingue entre las sustituciones monomoleculares (SN1) y las bimoleculares (SN2). En las reacciones SN1, inicialmente tiene lugar una etapa lenta en la que se rompe un enlace y se forma un ion carbonio positivo sobre el que actúa, en una etapa rápida posterior, el nucleófilo:

En las reacciones SN2, la formación del nuevo enlace y la ruptura del antiguo se producen simultáneamente, en un estado transitorio de cinco enlaces:

La diferencia entre ambas reacciones es que la reacción SN1 da lugar a dos productos diferentes debido a que, en la etapa lenta, el ion carbonio que se forma es plano, y susceptible de ser atacado por uno u otro lado. En las reacciones SN2, el nucleófilo se une siempre por la parte opuesta a la que ocupa el sustituyente que se pierde (lo que implica la inversión de la configuración del átomo de carbono en el que éste estaba) y por tanto sólo surge un producto.

Otro tipo de reacción es el de las sustituciones electrófilas (SE). En ellas, una especie activa cargada positivamente (reactivo electrófilo), por ejemplo HSO3+, actúa sobre moléculas ricas en electrones, como los hidrocarburos aromáticos. Un ejemplo es la sulfonación del benceno:

C6H6 + H2SO4 ! C6H5SO3H + H2O

Eligiendo los compuestos de partida y las condiciones de reacción (temperatura, disolvente) se puede controlar en gran medida el mecanismo por el que tiene lugar la sustitución.

4.2.4 Neutralización

Reacción de un ácido y una base para formar sal y agua.

Cuando se combina una disolución acuosa de un ácido con otra de una base, tiene lugar una reacción de neutralización. Esta reacción en la que, generalmente, se forman agua y sal, es muy rápida. Así, el ácido sulfúrico y el hidróxido de sodio NaOH, producen agua y sulfato de sodio:

H2SO4 + 2NaOH!2H2O + Na2SO4

4.2.5 Oxido-Reducción

Reacción química correspondiente a la acción de un cuerpo oxidante sobre un cuerpo reductor, que da lugar a la reducción del oxidante y a la oxidación del reductor.

OXIDANTE Y REDUCTOR

Una disolución acuosa de iones Cu2+ es azul. Si se le añaden limaduras de hierro (Fe), se comprueba que el color azul desaparece: los iones Cu2+ han reaccionado. Por otra parte, en la disolución se forman iones Fe2+, lo que se manifiesta por el precipitado verdoso que forman en presencia de sosa. También se observa que el hierro queda recubierto por un depósito rojo. Efectivamente, se forma cobre metálico, Cu. El balance de la reacción es el siguiente:

Fe + Cu2+ ! Fe2++ Cu

El hierro ha sido oxidado por los iones Cu2+, que a su vez han sido reducidos por el hierro. La reacción anterior es una reacción de oxidación-reducción (o reacción redox) en la que el hierro es el reductor y el cobre el oxidante.

La reacción es de hecho la suma de las dos semirreacciones siguientes:

Oxidación: Fe ! Fe2+ + 2e-

Reducción: Cu2+ + 2e- ! Cu

Por tanto, la oxidación de un cuerpo corresponde a una pérdida de electrones y la reducción corresponde a una ganancia de electrones. Un oxidante (en este caso los iones Cu2+) es una sustancia susceptible de captar uno o varios electrones; un reductor (en este caso el hierro) cede fácilmente uno o varios electrones.

Si se designa el oxidante por Ox, el reductor por Red y el número de electrones implicados por n, las semirreacciones pueden escribirse del modo siguiente:

PAR REDOX

A cualquier oxidante de un tipo se le puede asociar un reductor del mismo tipo, y viceversa: de este modo se define un llamado `par redox', que se designa por Ox/Red. Una reacción de oxidación-reducción es un intercambio de electrones entre el oxidante de un par redox y el reductor de otro par. Se puede observar que este tipo de reacción es análoga a las reacciones ácido-base, que corresponden a un intercambio de protones entre la base de un par ácido-base y el ácido de otro par (véase Ácidos y bases).

Consideremos dos pares redox designados como Ox1/Red1 y Ox2/Red2. Si se sabe que el oxidante Ox1 reacciona con el reductor Red2, se producirán las siguientes semireacciones:

Ox1 + n1e- ! Red1

Red2 ! Ox2 + n2e-

con el siguiente balance final:

n2Ox1 + n1Red2 ! n2Red1 + n1Ox2

(Se ha multiplicado la primera ecuación por n2 y la segunda por n1 para que el número de electrones intercambiados en ambas semirreacciones sea el mismo.)

NÚMERO DE OXIDACIÓN

En la medida en que cada especie puede existir en una forma más o menos oxidada, es posible definir un `número de oxidación' para caracterizar la forma que se está considerando. Cuanto más elevado es el número, más oxidada está la forma.

En los cuerpos simples, el número de oxidación corresponde a la carga del elemento químico. Así, el hierro puede existir en su forma reducida, el hierro metálico Fe (número de oxidación 0), o en dos formas oxidadas, los iones Fe2+ (número de oxidación ii) y Fe3+ (número de oxidación iii). En casos más complejos, el número de oxidación está ligado a la valencia del elemento químico considerado.

Cuando un cuerpo se oxida, aumenta su número de oxidación; cuando se reduce, disminuye. Por tanto, un oxidante es un compuesto cuyo número de oxidación puede disminuir, mientras que un reductor es una sustancia cuyo número de oxidación puede aumentar.

PREVISIÓN DE LAS REACCIONES

Un par redox está caracterizado por un potencial normal de electrodo, E0, que, según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), es su potencial de reducción, es decir, el que corresponde a la semirreacción:

Ox + ne- ! Red

Así, los pares redox se ordenan según el valor de su potencial normal de reducción: cuanto más elevado es el potencial, mayor es el poder oxidante de la forma oxidada.

En disolución, cuando hay dos pares redox Ox1/Red1 y Ox2/Red2 con potenciales normales respectivos E01 y E02, si E01>E02 la reacción que se produce es:

n2Ox1 + n1Red2 ! n2Red1 + n1Ox2

Balance de las semirreacciones siguientes:

Ox1 + n1e- ! Red1

Red2 ! Ox2 + n2e-

Es necesario comparar los potenciales de electrodo para prever termodinámicamente el sentido de la reacción de oxidación-reducción. Sin embargo, aunque la termodinámica permite predecir en qué sentido tendrán lugar las reacciones de oxidación-reducción cuando están presentes varios pares redox, no puede prever la cinética de dichas reacciones. De hecho, algunas reacciones termodinámicamente posibles no tienen lugar en la práctica porque son demasiado lentas.

4.3 Impacto Económico y ambiental de los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos.

4.3.1 Aplicaciones de las reacciones químicas en procesos industriales de control de contaminación ambiental, etc.

Las reacciones de oxidación-reducción son muy frecuentes en la industria: constituyen el principio de funcionamiento de las pilas eléctricas y se emplean para refinar electroquímicamente determinados metales. En la naturaleza, intervienen en la respiración celular y la fotosíntesis.

La electrólisis de las disoluciones salinas es una reacción de oxidación-reducción: se produce oxidación en el ánodo y reducción en el cátodo. Para llevar a cabo una electrólisis se establece una diferencia de potencial entre los electrodos con el fin de seleccionar la reacción deseada.

UNIDAD 5 Estequiometria

5.1 Conceptos de estequiometria

El termino “estequiometría” que proviene de los términos griegos stoicheion, que significa elemento y metron, que significa medida.

La estequiometría es el estudio de las proporciones numéricas. En que reaccionan químicamente las sustancias.

La estequiometría es el estudio de las relaciones de mol, masa, energía, y volumen en las reacciones químicas. Cuando los químicos investigan la estequiometría de una reacción generalmente evalúan las cantidades de reactantes que se combinan para producir diferentes cantidades de productos.

Estequiometría es el estudio de las relaciones ponderales o de masa entre reactivos y productos en una reacción química.

Reacción química es el cambio o transformación química.

• Las reacciones químicas son representadas por las ecuaciones químicas.

La estequiometría preside lo que debería suceder, pero no lo que sucederá en una reacción química.

2.1.1 Concepto de elemento, compuesto y mezclas

Elemento, sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias más simples por medios químicos ordinarios. Antiguamente, los elementos se consideraban sustancias fundamentales, pero hoy se sabe que consisten en una variedad de partículas elementales: electrones, protones y neutrones.

Se conocen más de 100 elementos químicos en el Universo. Aunque varios de ellos, los llamados elementos transuránicos, no se encuentran en la naturaleza, han sido producidos artificialmente bombardeando núcleos atómicos de otros elementos con núcleos cargados o con partículas nucleares. Dicho bombardeo puede tener lugar en un acelerador de partículas (como el ciclotrón), en un reactor nuclear o en una explosión nuclear.

Los elementos químicos se clasifican en metales y no metales. Los átomos de los metales son electropositivos y combinan fácilmente con los átomos electronegativos de los no metales. Existe un grupo de elementos llamados metaloides, que tiene propiedades intermedias entre los metales y los no metales, y que se considera a veces como una clase separada. Cuando los elementos están ordenados por orden de número atómico (número de cargas positivas existentes en el núcleo de un átomo de un elemento), se repiten a intervalos específicos elementos con propiedades físicas y químicas semejantes (véase Sistema periódico). Esos grupos de elementos con propiedades físicas y químicas similares se llaman familias, por ejemplo: los metales alcalinotérreos, los lantánidos, los halógenos y los gases nobles.

La unidad de masa atómica de los elementos es un doceavo de la masa del átomo de carbono 12 (establecida arbitrariamente en 12). El número atómico, la masa atómica y el símbolo químico de cada uno de los elementos conocidos vienen dados en el sistema periódico o tabla periódica. Ver artículos sobre cada elemento por separado.

Cuando dos átomos tienen el mismo número atómico, pero diferentes números másicos, se llaman isótopos. Algunos elementos tienen varios isótopos naturales, mientras que otros sólo existen en una forma isotópica. Se han producido cientos de isótopos sintéticos. Varios isótopos naturales y algunos sintéticos son inestables.

Los elementos transuránicos pesados producidos en el laboratorio son radiactivos y tienen vidas muy cortas. Algunos físicos especulan sobre la existencia de un número de elementos superpesados estables, elementos con números atómicos de 114 o superiores; los datos obtenidos a raíz de la creación de los últimos elementos químicos del sistema periódico parecen confirmar esta “isla de estabilidad”.

Compuesto, sustancia formada por dos o más elementos que se combinan en proporción invariable. El agua, formada por hidrógeno y oxígeno, y la sal, formada por cloro y sodio, son ejemplos de compuestos químicos comunes. Tanto los elementos como los compuestos son sustancias puras.

Mezclas, agregación de sustancias sin interacción química entre ellas. Las propiedades de las mezclas varían según su composición y pueden depender del método o la manera de preparación de las mismas.

Los componentes individuales en una `mezcla heterogénea' están físicamente separados y pueden observarse como tales. Estos componentes se pueden recuperar por procedimientos físicos, como la filtración, la decantación o la separación magnética.

En una `mezcla homogénea' o disolución el aspecto y la composición son uniformes en todas las partes de la misma. El componente que está en mayor proporción y que generalmente es líquido se denomina disolvente, y el que está en menor proporción soluto. Las disoluciones pueden ser sólidas y gaseosas, pero la mayoría de ellas son líquidas. Para separar los componentes de una disolución se utilizan técnicas como la cromatografía, la destilación o la cristalización fraccionada.

La cromatografía consiste en la distribución de un soluto entre una fase estacionaria y una fase móvil. En la de adsorción la fase estacionaria es un sólido, mientras que en la de partición es un líquido. En la cromatografía gaseosa la fase móvil es un gas.

La destilación consiste en la separación por calefacción y posterior condensación de los componentes de una mezcla cuando uno o más de ellos son volátiles.

La cristalización fraccionada se utiliza para separar una mezcla de dos sólidos cuya solubilidad es distinta a una temperatura dada.

5.1.2 Numero de Avogadro, átomo-gramo, mol-gramo

Ley de, Avogadro ley fundamental en química que establece que bajo idénticas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases contienen el mismo número de moléculas. Esta ley fue enunciada por primera vez como hipótesis por el físico italiano Amedeo Avogadro en 1811. Los químicos y físicos italianos continuaron desarrollando esta hipótesis, y en la década de 1850, gracias a los esfuerzos del químico italiano Stanislao Cannizzaro, la ley de Avogadro llegó a aceptarse universalmente.

Número de Avogadro, también llamado constante de Avogadro, Es el número de moléculas de un mol de cualquier sustancia, representado por el símbolo NA o L. Ha sido establecido en 6,0221367 × 1023, según los distintos métodos utilizados entre los químicos físicos.

Su nombre se debe al físico italiano Amedeo Avogadro, quien en 1811 estableció que volúmenes iguales de gases, a temperatura y presión equivalentes, contienen un mismo número de moléculas. Este enunciado recibió el nombre de ley de Avogadro. Fue una teoría importante en el desarrollo de la química, aunque el número en concreto no pudo calcularse hasta finales del siglo XIX, cuando se extendió el concepto para incluir no sólo los gases sino todos los productos químicos. Aunque las consideraciones sobre el volumen no son aplicables a líquidos y sólidos, el número de Avogadro es válido para todas las sustancias, independientemente de su estado.

Porcentajes Masa en Masa, Masa en volumen, volumen en volumen

El porcentaje en masa o peso porcentual esta definido como

% en masa del soluto=

(Masa del soluto / (masa del soluto + masa disolvente) ) x 100%

Por ejemplo:

El porcentaje de masa en el KCl = (0.892g / (.892g + 54.6g) ) x100%

Lo que nos da como resultado 1.61%

5.1.3 Leyes Estequiometricas

ð Ley de la conservación de la materia

Esta Ley fue postulada por Antonie Lavoisier después de realizar varios experimentos en los cuales la cantidad de mas de las sustancias constituyentes rea igual al de las sustancias obtenidas de la masa de las sustancias obtenidas después del cambio químico sufrido.

Por lo que su ley dice: la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma.

ð Ley de las proporciones constantes

Esta ley es también conocida como ley de las proporciones definidas o fíjas.

En sus experimentos el químico francés Joseph Prooust realizo innumerables análisis cuantitativos, en los cuales se percató de que los elementos, al unirse para formar un compuesto, siempre lo hacen de la misma cantidad, la cual permanece fija e invariable.

Es por eso que esta ley dice: Los elementos que forman un compuesto se combinan siempre en la misma proporción.

ð Ley de las proporciones múltiples

Dalton, al realizar sus experimentos, se dio cuenta de que hay elementos que al combinarse en diferente proporción forman compuestos distintos.

Esta ley nos menciona lo siguiente: Dos elementos se pueden combinar en proporciones diferentes formando compuestos distintos.

5.2 Balanceo de Ecuaciones químicas

ð Balanceo de ecuaciones por el método de tanteo

Estos son los pasos para aplicar correctamente este método.

ð Seleccionar un compuesto que contenga el átomo de un elemento que se repita en la mayoría de las sustancias que intervienen.

ð b) Asignar la formula del compuesto seleccionado un coeficiente tal que logre igualar el número de átomos del elemento en reactantes y productos.

Dicho coeficiente el menor posible y afecta a todos los elementos, incluso a los índices.

ð Repetir el procedimiento anterior con los átomos de los otros elementos hasta que la ecuación este balanceada.

NOTA: Durante la ecuación se pueden experimentar con muchos coeficientes, pero los subíndices de las fórmulas no pueden ser alterados.

ð Balanceo de ecuaciones por el método algebraico

ð Se asigna un literal a cada compuesto o moléculas que se encuentren en la reacción, en el lado de los reactantes como de los productos.

ð Se hace una lista con los elementos que se encuentran en la ecuación

ð Se elige el primer elemento y se tomará como un coeficiente el número de átomos de éste y como factor la literal asignada anteriormente, esto será igualado con el otro lado de la ecuación en el o los casos que aparezca el mismo elemento.

Este paso se repite con cada uno de los elementos que aparezcan en la ecuación.

ð Ya que se tienen establecidas la igualdades, se le asigna un valor mínimo a la primera literal, esto provocará que se puedan resolver y despejar las demás ecuaciones.

ð Los valores que resulten de cada literal serán los coeficientes de los compuestos.

NOTA: No puede haber coeficientes fraccionarios y si resultara alguno se toma el valor del denominador y se asigna a la primera literal

3.3 Balanceo de ecuaciones por el método de redox

ð Se escriben los números de oxidación de todos los átomos que participen en la reacción.

ð Se identifican se identifican los elementos que cambian su numero de oxidación, al efectuarse la reacción, y se determina el número de oxidación del átomo oxidado y reducido.

ð Indicar el número de electrones cedidos o aceptados

ð Establecer una ecuación electrónica

ð Se balancean las ecuaciones electrónicas, igualando el número de electrones cedidos por el reductor con el número de electrones aceptados por el oxidante, multiplicando por un factor que iguale la cantidad de electrones cedidos y aceptados. Se invierte el numero de electrones ganados y perdidos y se anota como coeficiente.

ð Se escriben los coeficientes de las ecuaciones electrónicas igualadas.

ð Se termina el ajuste de la ecuación, determinando el valor de los otros coeficientes por tanteo.

5.3 Cálculos Estequiometricos

ð Cálculos Estequiométricos de Mol a Mol

Mediante la estequiometría podemos saber, cuando se conoce la ecuación química y también el número de moles de uno o de cualquiera de los reactivos o productos, el número proporcional de moles necesarios para dicha reacción.

Para ello se siguen éstos pasos

ð Obtener la ecuación química balanceada

ð Anotar la cantidad conocida de una sustancia química (expresada en éste caso en moles) Puede ser cualquier reactivo o producto de la reacción. (Ésta será la sustancia de partida)

ð Anotar la relación molar apropiada con base de la ecuación química como sigue:

Moles de la sustancia deseada

Moles de la sustancia de partida

ð Multiplicar el número conocido de moles de la sustancia química de partida (paso 2) por la relación molar apropiada (paso 3) para obtener los moles de la sustancia deseada.

Ejemplo:

Obtener el número de moles de Oxígeno gaseoso necesario para quemar 1.20 moles de alcohol etílico C2H5OH, cuya ecuación química es:

C2H5OH + 3O2 ___! 2CO2 + 3H2O

ð 1.2 moles C2H5OH

ð ð 1.2 mol C2H5OH * = 3.6 mol de O2

Cálculos Estequiométricos con Moles y Masas

En ocasiones las cantidades de sustancias químicas en una reacción se expresan en gramos o kilogramos. Para realizar cálculos estequiométricos se requiere primero que la sustancia se convierta de gramos a moles. Para ello:

ð Obtener la ecuación química balanceada

ð Anotar la cantidad conocida de una sustancia química en “gramos de A”

ð Convertir los “gramos de A” a “moles de A”

ð Convertir los “moles de A” a “moles de B” usando la relación molar apropiada, como se vio en el cálculo de mol a mol.

ð Convertir los “moles de B” en “gramos de B”

Ejemplo:

Obtener cuántos gramos de Oxígeno gaseoso se requieren para quemar 10 g de alcohol etílico C2H5OH, cuya ecuación química es:

C2H5OH + 3O2 ___! 2CO2 + 3H2O

ð Obtener la ecuación balanceada

ð 10g de C2H5OH

ð 10g de C2H5OH *

ð 10g de C2H5OH * *

ð 10g de C2H5OH * * *

ð R = 20.9 g de O2

Bibliografía

www.elrincondelvago.com

Microsoft Enciclopedia de Consulta 2005