Lab technician setting fire to a ball with hydrogen blowtorch
Química
LO QUE HAY QUE SABER
Trimestre 2
La tabla periódica
Identifica la información de la tabla periódica, analiza sus regularidades y su importancia en la organización de los elementos químicos.
Stanislao Cannizzaro (1826-1910) sugirió que el hidrógeno es el menos denso de los gases y que lamasa de la mitad de una molécula de este debería usarse como estándar para comparar la masa de los átomos de los demás elementos. Por otro lado, Dmitri Ivanovich Mendeléiev (1834-1907) estableció la ley periódica que enuncia que “las propiedades de los elementos son una función periódica de sus masas atómicas”.
Por otra parte, John Dalton (1766-1844) hizo experimentos para calcular el porcentaje de los elementos presentes en un compuesto y determinó las masas relativas de algunos elementos; además propuso que la fórmula del agua era HO porque suponía que el hidrógeno y el oxígeno eran monoatómicos.
Representación de la obtención del agua según Gay-Lussac
La masa relativase refiere a las veces que un objeto es más pesado que otro. Para los átomos funciona de la misma manera; por ejemplo, las masas del azufre y del oxígeno son, respectivamente, 32 y 16 veces mayores que la del hidrógeno.
En sus experimentos con gases, Louis-Joseph Gay-Lussac (1778-1860) encontró que dos de estos siempre se combinan en proporción de números enteros; por ejemplo, observó que dos volúmenes de hidrógeno reaccionaban con un volumen de oxígeno para dar dos volúmenes de agua.
Reacción de oxígeno e hidrógeno para formar agua, según Dalton
Amadeo Avogadro (1776-1856) propuso que volúmenes iguales de gases diferentes, medidos a la misma presión y temperatura, tienen el mismo número de moléculas, a esto que se llamó hipótesis de Avogadro.
En 1829, el químico alemán Wolfgang Döbereiner (1780-1849) encontró un orden en las propiedades de los elementos. Observó que el cloro (Cl), el bromo (Br) y el yodo (I) tenían propiedades químicas similares y se dio cuenta de que la masa del bromo era aproximadamente el promedio de la masa del yodo y del cloro. Al conjunto de tres elementos con estas características lo llamótríada.
Encontró otras dos tríadas: el azufre (S), el selenio (Se) y el teluro (Te); y el calcio (Ca), el estroncio (Sr) y el bario (Ba).
Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois (1820-1886) propuso ordenar los elementos de acuerdo con sus masas atómicas. Escribió los símbolos de algunos elementos sobre la superficie de un cilindro y encontró que los que quedaban sobre la misma vertical tenían propiedades similares.
Se considera que la hélice telúrica (así la llamó Béguyer de Chancourtois) es la primera clasificación periódica, pero no tuvo grandes repercusiones en aquella época.
Mendeléiev, inspirado por el trabajo de Canizzaro, colocó los metaloides con los metales o los no metales según donde coincidiera mejor la valencia, y acomodó los elementos de cada columna en orden creciente de masas atómicas y obtuvo la siguiente tabla.
Mendeléiev ordenó los elementos de acuerdo con sus masas atómicas. Cuando ese orden no se ajustaba a las similitudes de las propiedades químicas de un grupo les dio prioridad a estas para acomodar los elementos; por ejemplo, aunque el telurio (masa atómica 128) debió ir después del yodo (cuya masa atómica es 127), lo colocó antes.
Mendeléiev predijo la existencia de algunos elementos. Afirmó que no había diferencias tan grandes en la masa de dos elementos adyacentes de modo que, cuando ocurría, debían de existir elementos con masas atómicas intermedias. Así sucedió con el eka aluminio, al que le predijo una masa de 68. Después de publicada su tabla se descubrió el galio, cuya masa es 69.2 y sus propiedades químicas y físicas son muy similares a las predichas para el eka aluminio.
Como viste antes, Döbereiner, Newlands, Meyer y Mendeléiev, entre otros, buscaron maneras de resolver la cuestión de la organización de los elementos.
En 1912, el físico inglés Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915), al basarse en estudios de rayos X, dedujo que había un orden numérico según el cual se podían colocar los elementos y replanteó la ley periódica de la siguiente forma: “Las propiedades de los elementos son una función periódica de sus números atómicos”. El número atómicoes la cantidad de protones presentes en el núcleo de los átomos y que define la identidad de cada elemento. Cabe mencionar que Moseley, de acuerdo con este criterio, también predijo la existencia de elementos que no habían sido descubiertos, como el tecnecio (Tc), el prometio (Pm) y el renio (Re).
La tabla periódica contiene todos los elementos que se han encontrado, y los organiza, como ya se mencionó, de acuerdo con su número atómico. Cada casilla muestra el nombre, el símbolo y el número atómico de un elemento.
En las casillas de algunas tablas encontramos, además de la información básica, datos adicionales como la densidad, la valencia y la temperatura de fusión.
En la tabla periódica aceptada por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), los elementos de un mismo grupo o familia comparten propiedades similares. Los grupos están numerados del 1 al 18; sin embargo, aún se emplea la convención de números y letras: la A se asigna a los elementos representativos y la B a los elementos de transición.
En la versión promedio de la tabla periódica se excluyen las dos filas que corresponden a los lantánidos (elementos 57 a 71) y a los actínidos (elementos 89 a 103).
La Tabla Periódica es uno de los logros más significativos de la ciencia ya que captura la esencia de la química, la física y la biología.
Cuando los lantánidos y los actínidos se incluyen en el sitio que les corresponde se obtiene la tabla periódica larga con catorce columnas más, como se muestra. En general, la tabla larga no se usa por la dificultad de su manejo.
Hay propiedades de los elementos que presentan variaciones regulares dentro de la tabla periódica; por ejemplo, la temperatura de ebullición varía: aumenta a lo largo de un periodo hasta alcanzar un máximo, después disminuye hasta llegar a un valor cercano al del último.
En esta gráfica se muestra la variación de la temperatura de ebullición en función del número atómico; los puntos más bajos corresponden a los gases nobles.
La densidad y la temperatura de fusión también varían periódicamente y aumentan hasta alcanzar el máximo, después del cual hay una tendencia a disminuir. Observa que las familias 1 y 17 tienen las menores densidades y la familia 8, las mayores.
Comparación de la densidad de algunos elementos para mostrar la periodicidad de esta propiedad
Con los datos de las densidades y el porcentaje en masa de los elementos en algunos compuestos con hidrógeno, Cannizzaro determinó sus fórmulas, así como sus masas moleculares(que ahora se denominan masas molares).
Mendeléiev empezó a clasificar los elementos en 21 tarjetas. En su primera clasificación, las analizó y separó en metales y no metales, y formó un tercer grupo con metaloides o semimetales. Después, colocó en la misma columna los elementos de valencia idéntica, esto es, con la misma capacidad de combinación.
En algunas presentaciones de la tabla periódica se incluye información adicional, como el estado físico, los números de oxidación, la densidad y la configuración electrónica.
Los elementos que corresponden a la misma fila en la tabla periódica forman un periodo. Los periodos se numeran del 1 al 7.
El número atómico aumenta de manera secuencial en una unidad a lo largo de cada periodo.
En la tabla periódica, algunos grupos tienen nombres específicos; por ejemplo, el primer grupo corresponde a los metales alcalinos, que son muy reactivos y tan suaves que se cortan fácilmente. El segundo grupo es de los elementos berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio, conocidos como metales alcalinotérreos.
Inmediatamente a la derecha de los metales alcalinotérreos se encuentran diez grupos menos reactivos cuyos compuestos, por lo general, son coloridos y conforman el bloque de los elementos de transición, las familias 3 a la 12.
Enlaces químicos
Explica las características de los enlaces químicos a partir del modelo de compartición (covalente) y de transferencia de electrones (iónico).
Como ya sabes, existen materiales con propiedades muy diversas. Algunos son duros; otros, flexibles; los hay solubles en agua y en otros disolventes; unos son buenos conductores de la electricidad y otros no la conducen en absoluto.
El cobre es un sólido que se funde a 1085 °C; en contraste, la sacarosa se funde a 186 °C. El primero no es soluble en agua y el segundo sí.El cobre es un sólido que se funde a 1085 °C; en contraste, la sacarosa se funde a 186 °C. El primero no es soluble en agua y el segundo sí.
La interacción que mantiene unidos dos átomos en una molécula es el enlace químico. Recuerda que, para acercarse a la comprensión de los fenómenos observados, la ciencia se utilizan modelos, que se trata de representaciones de la realidad que entre más se acerque a esta más válido será.
La materia tiene naturaleza eléctrica, pues está constituida por partículas con carga (protones y electrones). Como sabes, las cargas de signo opuesto se atraen y las del mismo signo se repelen; es decir, existen fuerzas de atracción y de repulsión.
Se da el enlace químico cuando la fuerza de atracción entre dos átomos es de mayor magnitud que la de repulsión.
La fuerza entre dos cargas puntuales estáticas es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Se trata de una relación de proporcionalidad que, al incluirle una constante, se convierte en igualdad. Se le conoce como ley de Coulomb.
La fuerza es negativa cuando las cargas son de signos opuestos, y es positiva cuando las cargas son de signos iguales.
Las fuerzas electrostáticas pueden ser de dos tipos: atracción y repulsión.
Imagina dos átomos de hidrógeno que se aproximan de tal manera que cada uno queda bajo la influencia eléctrica del otro. Según las leyes de la electrostática, los dos electrones se repelen entre sí, igual que los dos protones; estas fuerzas de repulsión tienden a mantener separados a los átomos. Por otro lado, cada protón atrae a ambos electrones con una fuerza mayor que la de repulsión; el resultado es que los dos electrones terminan siendo compartidos por los protones, lo cual mantiene a los átomos unidos.
La longitud de enlace entre los dos átomos de una molécula de hidrógeno es aquella en la que el sistema tiene la menor energía.
El enlace covalente es este tipo de unión o enlace formado por la compartición de electrones; así, por ejemplo, la formación de una molécula de hidrógeno se representa como se indica en la imagen.
Formación de una molécula de hidrógeno (H2)
Otras moléculas que se unen por medio de un enlace covalente son las del cloro gaseoso.
En estos esquemas solo están representados los electrones de valencia (los de la capa más externa).
El carbono debe su importancia a que a partir de él se genera una gran diversidad de compuestos covalentes, tanto en la materia viva como en la inerte. Este elemento posee cuatro electrones de valencia, por lo cual puede compartirlos al combinarse con uno, dos, tres o hasta cuatro átomos; esto hace posible que haya una amplia variedad de posibilidades para la formación de sustancias. Actualmente se conoce como química orgánicaa la rama de la química que estudia el carbono, sus compuestos y sus cambios.
La química orgánica tiene aplicaciones tan variadas como la síntesis de fertilizantes, medicamentos y plásticos a partir del petróleo.
Existen compuestos cuya molécula es polar, como el agua, esto significa que tienen regiones cargadas eléctricamente. En el caso del agua, una región de su molécula es positiva (representada mediante el símbolo +) y otra, negativa (representada mediante el símbolo -); es decir, tiene un polo positivo y uno negativo, por lo cual se dice que forma un dipolo.
La parte negativa de la molécula de agua es el oxígeno; la positiva, los hidrógenos.
Cuando uno o más electrones de un átomo son transferidos a otro se forma un enlace iónico, llamado también enlace por transferencia de electrones; un ejemplo es el que se da entre los átomos de sodio y flúor en el fluoruro de sodio.
Analicemos cómo se forma este compuesto iónico: el sodio, que es un elemento de la familia 1, cede un electrón al flúor y se convierte en el catión sodio (Na+); el flúor, que pertenece a la 17, se convierte en el anión fluoruro (F-) al ganar ese electrón.
Cuando el átomo de flúor gana un electrón adquiere la configuración estable del átomo de neón (Ne), que es un gas noble. Lo mismo ocurre con el sodio cuando pierde un electrón.
Representación, mediante modelos atómicos de Bohr, de la pérdida y la ganancia de un electrón en los átomos de sodio y flúor, respectivamente.
Los compuestos con enlace iónicono forman moléculas, sino estructuras reticulares, es decir, los enlaces entre los iones son multidireccionales.
Cada sustancia iónica se cristaliza de diferente forma. El cloruro de sodio lo hace en el sistema cúbico centrado en la cara.
Cuando se enlazan átomos de elementos metálicos con átomos de elementos no metálicos se forman enlaces iónicos.
Algunas de las características que suelen presentar los compuestos con enlaces de tipo covalente son las siguientes.
- Tienen temperaturas de fusión bajas (menores a 200 °C).
- No son solubles en agua.
- No conducen electricidad en estado sólido ni en disolución.
- Pueden ser sólidos, líquidos o gases a temperatura ambiente.
- La mayoría son solubles en disolventes orgánicos.
Estas características son generalidades, ya que muchas sustancias covalentes no las presentan todas; por ejemplo, el azúcar (cuyas moléculas son polares) se disuelve en el agua porque sus dipolos son atraídos poco a poco por los de esta; lo mismo ocurre con el etanol.
Existen otras sustancias cuyos átomos se unen de forma covalente, pero no forman moléculas, sino estructuras reticulares (redes) tridimensionales (que se repiten en todas direcciones) como el diamante y el grafito.
El diamante (izquierda) y el grafito (derecha) están constituidos solo por átomos de carbono; sin embargo, tienen propiedades muy distintas debido a su estructura.
En general, distinguimos un compuesto cuyos enlaces son iónicos porque presenta las siguientes características.
- Su temperatura de fusión es alta (mayor a 200 °C).
- Son sólidos cristalinos a temperatura ambiente.
- Son solubles en agua.
- Conducen la electricidad cuando están en disolución o fundidos.
- No conducen la electricidad en estado sólido.
- Son duros, pero frágiles.
Los cristales iónicos son solubles en agua porque esta es una sustancia polar, así que su parte eléctrica negativa atrae a los iones positivos (cationes) y la positiva, a los negativos (aniones).
La fuerza de atracción entre los iones es muy fuerte, pero las moléculas de agua rodean a los iones y las separan.
La maleabilidades la propiedad de los metales de formar capas muy delgadas sin romperse.
Los metales, al ser tan maleables, son ampliamente utilizados para producir láminas que después se emplean en la fabricación de maquinaria, muebles, herramientas, automóviles, etcétera.
Un metal es dúctil cuando se alarga o estira de forma notable sin fracturarse y forma hilos de diferentes grosores.
La ductilidad permite fabricar alambres, los principales conductores de electricidad.
La alta conductividad térmica de los metales se explica por la gran movilidad que presentan los electrones de valencia en la estructura de red que describimos antes. De los metales, la plata es el mejor conductor térmico, luego el cobre y el oro.
TIC
Revisa este enlace para que conozcas los diferentes tipos de enlaces.
Un modelo tiene información relevante de lo que se quiere representar, pero es una simplificación; por ejemplo, un mapa de México es la representación del territorio del país, pero realmente no es el país, así como la maqueta de una casa no es la casa.
Los electrones de valencia están involucrados directamente en los enlaces entre átomos y su número es semejante al de la familia a la que pertenece un elemento químico.
Una carga eléctrica puntual está situada en un punto geométrico que por definición carece de dimensiones. Claramente, las cargas puntuales no existen, solo son idealizaciones o modelos matemáticos que explican de manera adecuada las interacciones entre cuerpos cargados.
Un electrón nunca está fijo, sino que gira en torno al núcleo del átomo.
En general, cuando los átomos de elementos no metálicos se unen entre sí forman enlaces covalentes; ejemplos de ello son el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO2), el dióxido de azufre (SO2) y el monóxido de nitrógeno (NO).
Parafraseando a Galilei, la naturaleza también es un gran libro y, quien quiera entenderlo debe conocer el lenguaje en que fue escrito, la química orgánica, y sus caracteres (carbono y enlace covalente).
Cuando se unen elementos de la primera o segunda familia (metales alcalinos o alcalinotérreos) con elementos de las familias 16 o 17 (no metales) forman compuestos iónicos, como el yoduro de potasio (KI) y el fluoruro de calcio (CaF2).
Los metales alcalinos y los alcalinotérreos forman cationes.
El enlace iónico y el enlace covalente son modelos químicos, es decir, son aproximaciones a la realidad íntima de la materia; sin embargo, funcionan para explicar las transformaciones de las sustancias.
Los cristales iónicos no conducen la electricidad en estado sólido porque los iones se encuentran en posiciones fijas y no se desplazan. Cuando el cristal se disuelve o se funde, los iones tienen libertad de movimiento y, entonces, conducen la electricidad.
Los núcleos de los átomos de los metales no atraen fuertemente a los electrones que están en la última capa, es decir, los de valencia; por lo tanto, un metal está formado por una red tridimensional de iones positivos (cationes) inmersos en un “mar” de electrones.
Cambio químico
Representa el cambio químico mediante una ecuación e interpreta la información que contiene.
¿Te has fijado cómo cambia lo que te rodea al pasar el tiempo? Las frutas maduran, el papel se hace quebradizo y amarillento, las obras de arte se ennegrecen, la comida se echa a perder y los objetos metálicos se oxidan
La mayoría de estos cambios químicos están acompañados de variaciones de color o temperatura, o de la aparición de un sólido o un gas. Las reacciones químicas se definen como los procesos en que a partir de ciertas sustancias (reactivos) se obtienen otras con propiedades diferentes (productos).
La cocción y la descomposición de los alimentos son resultado de cambios químicos.
Al colocar hielos en un frasco con tapa y exponerlo a la luz solar por varios minutos se produce un cambio de estado por acción del calor proveniente del Sol. Tanto el sólido inicial como el líquido resultante son la misma sustancia (agua), por lo que solamente se le clasifica como un cambio físico.
Los cambios de estado de agregación no representan cambios en la estructura del material.
Las reacciones de combustión o la descomposición de la comida (fermentación o putrefacción) son otros ejemplos de cambios químicos.
En el proceso de fermentación en el que se convierte el jugo de uva en vino y la leche en quesos o yogur se transforman químicamente los azúcares en alcohol y gas carbónico.
Se puede decir que estamos ante un cambio químico cuando en un proceso hay emisión de luz o calor (como en la combustión del metano), cambios de color, efervescencia o aparición de un sólido o gas.
Algunas manifestaciones de las reacciones químicas son la emisión de luz y calor, el cambio de color y la efervescencia.Algunas manifestaciones de las reacciones químicas son la emisión de luz y calor, el cambio de color y la efervescencia.Algunas manifestaciones de las reacciones químicas son la emisión de luz y calor, el cambio de color y la efervescencia.
Por ejemplo, al poner un trozo de sodio (Na) en un recipiente que contiene cloro (Cl2) rápidamente se observa un desprendimiento de luz y calor. Después de un rato, en el recipiente solo queda un polvo (NaCl) que puede manipularse sin peligro.
Al revisar la información del cuadro se corrobora que ha sucedido un cambio químico, pues se ha obtenido una sustancia con propiedades totalmente diferentes a las de las sustancias iniciales.
El cloruro de sodio (NaCl) es el único producto que se obtiene cuando reacciona el sodio con el cloro. Este proceso es violento, además genera luz y calor.
Es así como a partir de una sustancia que podemos ingerir (cloruro de sodio) se obtienen otras que son tóxicas y muy irritantes para nuestra piel y vías respiratorias.
Para averiguar si se produjo un cambio químico se deben analizar las propiedades de las sustancias que participan, sobre todo en los procesos sin manifestaciones de cambio tan evidentes.
Las fórmulas químicas informan acerca de la composición y la proporción elemental de las sustancias. Para esto se usan subíndices, es decir, números enteros que indican cuántos átomos de cada elemento hay; por ejemplo, con la fórmula FeCl3 se indica que este compuesto está formado por hierro y cloro, y que por cada átomo del primero hay tres del segundo.
Los cambios químicos también se representan mediante fórmulas y otros símbolos, como los que se muestran en el siguiente cuadro.
En una reacción, las sustancias interaccionan de tal manera que ocurren rupturas y formaciones de enlaces químicos, lo cual ocasiona que los átomos se reacomoden y formen nuevas sustancias.
En la ecuación anterior hay dos tipos de números; además de los subíndices (en azul), están los coeficientes estequiométricos (en rojo). Estos últimos indican la proporción en la que reaccionan las sustancias y en la que se obtienen los productos.
Cuando en una ecuación química el número de átomos de cada elemento al principio de la reacción es el mismo que al final (con lo que se cumple la ley de la conservación de la materia), se dice que está balanceada.
Podemos revisar si una ecuación química está balanceada si se cuentan los átomos que hay de cada elemento en cada lado de la flecha de reacción; por ejemplo, para la ecuación anterior tenemos que hay átomos de:
Esta ecuación indica el estado de agregación de los productos y los reactivos, y que una molécula de nitrógeno reacciona con tres de hidrógeno para formar dos de amoniaco. Si utilizamos modelos esféricos para representar a los átomos que intervienen en el proceso, podremos localizar los enlaces que se rompen y los que se forman en la obtención de dicho compuesto.
En el diagrama anterior se nota que los enlaces N-N y H-H se rompen para formar los enlaces N-H del amoniaco. Los reactivos son la partida, y los productos son el final.
Algunas reacciones comunes que ocurren en nuestro entorno son parte de los procesos químicos. El proceso de respiración pulmonar que acabas de observar en tu cuerpo se expresa de la siguiente manera.
La ecuación anterior describe el reacomodo de los átomos que conforman las sustancias que reaccionaron (escritas en el lado izquierdo de la igualdad) y las que se producen (escritas en el lado derecho de la igualdad) durante la reacción química que tienen lugar en el organismo. Recuerda que a las sustancias de origen las llamamos reactivosmientras que a las sustancias que resultan después de la reacción química las nombramos productos. Así, en la reacción anterior, los reactivos son glucosa y oxígeno, mientras que los productos son agua y dióxido de carbono.
Observa esta ecuación.
Lo primero que debemos observar es que en una reacción química tenemos reactivos y productos dependiendo del sentido de la ecuación. Esto define el sentido de la reacción y lo indicamos con una flecha larga. Si la reacción es reversible, es decir, que puede ir en ambos sentidos, colocamos una doble punta de flecha ←→; mientras que si la reacción es irreversible, que solo puede efectuarse en un sentido, colocamos una punta de flecha → que señala un solo sentido: de reactivos a productos.
Las plantas que tienen clorofila capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química.
Otro número importante que aparece en la ecuación de la reacción es el que antecede a algunas de las moléculas. A este número le llamamos coeficientey es muy importante para cuantificar la reacción.
TIC
En este enlace encontrarás las características de las reacciones químicas así como algunas actividades.
Las reacciones de combustión son ejemplos de cambio químico. Si has quemado un papel, un trozo de madera o las hojas secas de un árbol, habrás notado que después de la combustión queda un material con características muy diferentes a las iniciales.
Un ejemplo de cambio químico cotidiano es la descomposición de la comida (fermentación o putrefacción). Un alimento es una mezcla compleja de sustancias que interactúan con los microorganismos del ambiente, los cuales se alimentan de los vegetales o de la carne y, como resultado de su metabolismo, excretan sustancias que reaccionan con los azúcares, las grasas y las proteínas del alimento.
Los cambios químicos suceden en la naturaleza, en el desarrollo y el crecimiento de las plantas; también desempeñan una función importante en el crecimiento, el desarrollo, la reproducción y la muerte de los animales.
Para asegurar que en un proceso se han formado nuevas sustancias es necesario medir una o varias propiedades de las sustancias iniciales (reactivos) y de las finales (productos).
El lenguaje químico se usa para representar átomos, iones y moléculas, así como las interacciones que ocurren entre ellos. Si comparamos el lenguaje de la química con nuestro idioma, nos damos cuenta de que los símbolos químicos hacen las veces de las letras del alfabeto; las fórmulas de las sustancias equivalen a las palabras y las ecuaciones químicas son análogas a los enunciados con los que expresamos ideas completas.