INTRODUCCIN A LA QUMICA En el mundo en que vivimos existen muchos tipos de paisajes: hay bosques, selvas, desiertos y tambin ciudades y pueblos. A pesar de sus diferencias, cualquier lugar al que volvamos los ojos estar siempre lleno de objetos distintos, formados todos de diferentes sustancias. Cada sustancia tiene sus propiedades caractersticas: algunas son lquidas como el agua y otras slidas como la roca; algunas son inorgnicas como la arena y otras orgnicas como nuestra piel; algunas son fcilmente combustibles o inflamables como la madera, otras no lo son, como la piedra. Las sustancias no siempre permanecen las mismas: cuando hervimos agua, se transforma en vapor, si la congelamos, se transforma en hielo; algunas sustancias se queman y quedan reducidas a cenizas. Las sustancias orgnicas tambin se transforman: los alimentos saben mejor despus de cocinarlos y si no disponemos apropiadamente de ellos, se pueden descomponer. Las sustancias de las que est formado nuestro cuerpo tambin sufren cambios: con los aos, nuestro cabello pierde poco a poco su color. Algunas sustancias son buenas para la salud mientras que otras pueden matar: mientras que venenos como la cicuta pueden terminar con la vida de los ms grandes filsofos, la mayora de nosotros conocemos ese milagroso lquido blanco que acaba con el terrible ardor en el estmago. El quedarse encerrado en un elevador puede ser peligroso, ya que si permanecemos ah mucho tiempo, el aire cambiar y dejar de ser bueno para respirar. Por el contrario, cuando visitamos un lugar lleno de rboles, como un bosque o un parque, aspiramos con deleite porque el aire es, en ese lugar, de excelente calidad. Somos afortunados de que en ocasiones sea posible poner la transformacin de sustancias a nuestro favor. Fue en los tiempos prehistricos cuando los humanos descubrieron como obtener el cobre, calentando sus minerales en presencia de carbn. Poco despus tambin se descubri como obtener el hierro, por un procedimiento similar. Las tcnicas para la fabricacin de vidrio y de cermica son tambin muy antiguas, como son tambin aquellas para la elaboracin de tintes, perfumes, cosmticos y hasta medicinas. Estas tcnicas se fueron perfeccionando al transmitirse de generacin en generacin y de cultura en cultura, hasta alcanzar elevados niveles de sofisticacin. Por desgracia, las sustancias tambin pueden transformarse contra nuestra voluntad. Por ejemplo, cuando compramos un nuevo juego de herramientas, estarn limpias y brillantes. Sin embargo, no podremos evitar que con el paso del tiempo, empiecen a verse sucias y deslucidas. Aunque las herramientas siguen siendo de metal, su superficie ya no mantiene ninguna cualidad que pudiramos llamar metlica: se ha transformado en herrumbre. Este proceso, que a travs del tiempo ha causado y causa muchos dolores de cabeza a la humanidad, se llama corrosin. Evidentemente, el desarrollo de las primeras tecnologas comenz cuando los humanos descubrieron el fuego. El fuego es el ms eficiente auxiliar para la transformacin de sustancias que existe. La vida de nuestros antepasados debe haber cambiado radicalmente con el conocimiento de sus propiedades. Cuando aprendieron que una llama encendida requiere tanto de una sustancia combustible como de un 1

suministro de aire, pudieron entender que podan apagarla cortando el abastecimiento de cualquiera de los dos. Por razones obvias, aprender a apagar el fuego es tanto o ms importante que aprender a encenderlo. La qumica es el estudio de la materia y los cambios que experimenta. Es muy frecuente que a la qumica se le considere la ciencia central, ya que para los estudiantes de biologa, fsica, ecologa y otras disciplinas, es esencial tener un conocimiento bsico de qumica. En efecto, la qumica es fundamental para nuestro estilo de vida; sin ella, tendramos un estilo de vida ms perecedera en el sentido de vivir en condiciones primitivas: sin automviles, computadoras, electricidad, discos compactos (CD) y muchos otros satisfactores cotidianos. Aunque la qumica es una ciencia ancestral, sus fundamentos modernos se instituyeron en el siglo XIX, cuando los avances tecnolgicos e intelectuales permitieron a los cientficos separar sustancias en componentes aun ms pequeos y, por consiguiente, explicar muchas de sus caractersticas fsicas y qumicas. El rpido desarrollo de una tecnologa cada vez mas sofisticada a lo largo del siglo XX, ha proporcionado incluso mas medios para estudiar cosas que no pueden verse a simple vista, mediante el uso de computadoras y microscopios electrnicos, los qumicos pueden analizar por ejemplo la estructura de los tomos y las molculas, unidades fundamentales en las que se basa el estudio de la qumica, as como disear nuevas sustancias con propiedades especificas, como frmacos y productos que hagan mas agradable el ambiente del consumidor. A medida que avance el siglo XXI, es conveniente preguntarse que parte de ciencia fundamental tendr la qumica en este siglo. Es casi seguro que conservar una funcin fundamental en todas las reas de la ciencia y la tecnologa. Cualquiera que sean las razones para tomar un curso introductorio de qumica, al adquirir un buen conocimiento en este tema se podr apreciar mejor su impacto en la sociedad y ellos individuos. En comparacin con otros temas, es comn creer que la qumica es ms fcil, al menos el nivel introductorio. Hay algo de justificacin para que esta creencia: por un lado, la qumica tiene un vocabulario muy especializado. Sin embargo aunque para el estudiante este curso de qumica fuera el primero, en realidad est ms familiarizado con el tema de lo que se piensa. En todas las conversaciones se escuchan trminos que tienen relacin con la qumica, aunque no se utilicen en el sentido cientfico correcto. Algunos ejemplos son: electrnica, corrosin, equilibrio, catalizador, reaccin en cadena y metales oxidados. Adems, cuando alguien cocina alimentos, esta siendo qumica! Por la experiencia adquirida en la cocina, se sabe que el aceite y el agua no se mezclan y que el agua se evapora cuando se hierve. Los principios de la qumica y de la fsica se aplican cuando se utiliza bicarbonato de sodio para hornear una torta, se elige una olla de presin para reducir el tiempo de coccin de verduras, se le coloca jugo de limn a las ensaladas de fruta para evitar que se oscurezcan. Todos los das observamos estos cambios sin pensar en su naturaleza qumica.

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ACTIVIDAD DIAGNOSTICA Para que tengas una idea de tus conocimientos al inicio del curso completa el cuadro siguiente. Concepto o actividad Materia Elementos Compuestos Mezclas Cambios de estado Energa Escribe algunas manifestaciones de energa Cambio Fsico Cambio Qumico tomo Protn Electrn Neutrn Modelo de Thompson Numero Atmico Numero de Masas Isotopos Modelo de Bohr Modelo de Sommerfeld Configuracin Electrnica Grupos (tabla peridica) 3 Lo que recuerdas

Periodos (tabla peridica) Metales No metales Semimetales Enlace Inico Regla del octeto Enlace covalente Electronegatividad Enlace metlico Puente de Hidrogeno Escribe los smbolos de Escribe la frmula de Fsforo ______ Antimonio _______ Plata _______ Potasio ________ Cobalto ______ Cobre ________ Mercurio _______ Nquel ________ cido sulfrico ___________ Cloruro de potasio _______________Sulfato de litio ___________ Oxido de hierro II ________________

CONCEPTOS BASICOS DE QUIMICA QUE ES QUIMICA Se pueden sealar algunas definiciones referentes al concepto de qumica .Generalmente las definiciones dependen del autor y de sus ideas con respecto a ella. Algunas definiciones son:a) Qumica es la rama de la ciencias fsica estrechamente relacionadas con fsicas y

que trata esencialmente de la composicin y el comportamiento de la naturalezab) Qumica es una ciencia que estudia la naturaleza de la materia y los cambios en

la composicin de la mismac) En Conclusin Qumica es una ciencia que estudia la composicin de la materia y

los cambios que en ella ocurren

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RELACIONES CON OTRAS CIENCIAS La qumica est estrechamente relacionada con las ciencias fsicas, extendindose a varias disciplinas que vas desde la astronoma hasta la biologa. Ciencia Auxiliares Matemticas Fsica Arqueologa Qumica Biologa Astronoma Medicina Fsica: Se estudia conjuntamente con la qumica en la ciencia fisicoqumica debido a que muchos fenmenos ocurren simultneamente combinando las propiedades fsicas con las qumicas. Arqueologa: Para descifrar datos e interrogantes como la antigedad de piezas arqueolgicas. La exactitud se logra por medio de mtodos qumicos como el del carbono 14. Biologa: La ciencia de la vida, se auxilia de la qumica para determinar la composicin y estructura e tejidos y clulas. Astronoma: Se auxilia de la qumica para construccin de dispositivos, basados en compuestos qumicos para lograr detectar algunos fenmenos del espacio exterior. Medicina: Como auxiliar de la biologa y la qumica, esta ciencia se ha desarrollado grandemente ya que con esta se logra el control de ciertos desequilibrios de los organismos de los seres vivos. DIVISIONES DE LA QUIMICA

General Qumica Orgnica Aplicada 5

Inorgnica

Qumica General: Estudia las propiedades comunes de todos los cuerpos y las leyes a las que estn sometidos los cambios que en ella se efectan. Qumica Aplicada: Estudia las propiedades de cada una de las sustancias en particular, desde el punto de vista til medicinal, agrcola, industrial, etc. Qumica Inorgnica: Estudia las sustancias que provienen el reino mineral Qumica Orgnica: Estudia principalmente los compuestos que provienen seres vivos, animales y vegetales. APLICACIONES DE LA QUIMICA Sustancia cido Fluorhdrico Cloro cido Clorhdrico Bromuro Potasico Yoduro y Potasico Yodo Sulfuro Calcico Azufre cido Sulfrico Nitrgeno Sulfuro de Fsforo Baquelita Aplicacin Grabado de Vidrio Decolorante de la pasta el papel y fibras de origen vegetal Obtencin de glucosa a partir del almidn En medicina se usa como sedante

Bromuro En la elaboracin de pelculas fotogrficas Fabricacin de tinturas de yodo medicinal En la arboricultura para proteger plantas contra insectos y hongos En la fabricacin de plvora, volcanizacin del caucho, blanqueo de lana y medicamentos para la piel Acumuladores de plomo, abonos qumicos Elaboracin de explosivos (TNT), abonos qumicos Fabricacin de cerillos Producto de reaccin del fenol y forma aldehdo utilizado como aislante en los mangos de los desarmadores

1.1 MATERIA 6

A la fecha no se ha podido obtener una definicin clara y sencilla de lo que es la materia. Algunos autores la definen como todo lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Todo lo que constituye el Universo es materia. La qumica es el genio de la lmpara que aclara el caos de lo que existe y adems, como poderoso mago, realiza nuestros deseos, al transformar los materiales a nuestra voluntad, crea el mundo que podemos, con su lado oscuro de contaminacin; pero tambin con la civilizacin y la paloma de la esperanza de cada vez algo mejor. Este genio transforma todo: los materiales del mundo cotidiano (incluidos los mundos mineral, animal y vegetal) y las manifestaciones de la energa. A este genio le encanta el objeto objeto de estudio de la qumica Este genio queda preso en la imaginacin de quien page el precio de la verdad. Para dominarlo debes estudiar los conceptos de materia, energa y cambio. Caractersticas y manifestaciones de la materia Qu es materia? Materia: ante lo imposible de abarcar la infinidad de materiales de la vida cotidiana, y las limitaciones de nuestros sentidos en el nivel macroscpico, surge el concepto de materia Materia es lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa. Analoga. Ante lo imposible de abarcar a Pedro, Juan, Mara, surge el concepto de gente. El concepto de Pedro, Juan, Mara,.es a gente lo mismo que el concepto de materiales a materia. Manifestaciones y caractersticas de la materia La materia es nica y se manifiesta (macroscpicamente) en el universo en una diversidad de materiales, en los estados de agregacin segn las condiciones de presin y temperatura. En un material la materia se expresa en propiedades fundamentales: la masa del cuerpo y su energa en un espacio y un tiempo determinados. Una caracterstica de la materia es la capacidad de transformarse de una manifestacin a otra: sufre cambios y da lugar a una nueva manifestacin. Otra caracterstica es que en sus manifestaciones no se crea ni se destruye. Tanto las manifestaciones de la materia como sus trasformaciones son objeto de estudio de la qumica. Concepto de sustancia y materia En la vida diaria no hay materiales puros sino mezclas. Las piedras son mezclas de rocas granticas o baslticas; la corteza terrestre es una mezcla cuya composicin media varia con la profundidad (aumenta el contenido de hierro, magnesio y aluminio); el mar es una mezcla de sales y agua, el aire es una mezcla de nitrgeno y oxigeno, entre 7

otros. Para dar sentido y orden al caos del mundo macroscpico se usan modelos o representaciones: el modelo que explica la diversidad de materiales es el de sustancia. Una sustancia es un material puro Una mezcla es aquel material que contiene ms de una sustancia. Un material es el conjunto de una sustancia o sustancias que constituyen a algn objeto. La pureza se refiere a la proporcin en que est cada sustancia en determinado material. En algunos materiales, una de las sustancias est en una proporcin tan grande, que para fines prcticos, se considera pura. En lenguaje cotidiano se habla de sustancia y sustancia pura. En el presente texto sustancia denota al material puro y es redundante especificar, que la sustancia es pura. Integracin del concepto de materia y sustancia La misma materia que macroscpicamente se manifiesta en una compleja diversidad de materiales, microscpicamente se manifiesta en partculas (invisibles al ojo por su tamao muy pequeo). Cules son?, Cmo forman el mundo macroscpico y cmo explican los cambios qumicos? El caso y la complejidad del mundo fsico lo explican estas partculas y sus interacciones. El concepto de materia y sus manifestaciones se puede completar e integrar, relacionando los niveles macro y microscpico. Materia es de lo que estn hechos todos los materiales, lo que ocupa un lugar en el espacio, tiene masa y consta (microscpicamente) de partculas. La sustancia es un material puro que consta (microscpicamente) de partculas iguales. Definicin operacional de sustancia: concepto de elemento y compuesto Como los materiales son mezclas conviene estudiar lo esencial de mezclas. La mezcla es una manifestacin de la materia con una composicin variable y separable por mtodos fsicos. Un mtodo fsico aprovecha las diferencias en las propiedades fsicas de cada sustancia, tal y como el punto de ebullicin. Mezcla heterognea En algunas mezclas, como el agua y la arena, los componentes se distinguen con facilidad. Estas mezclas se llaman heterogneas. Ejemplo: mrmol, una botella con vinagre y aceite, una gelatina con flan, una cuba con hielo, todas las ensaladas, etc. Mezcla homognea Las mezclas con espacio uniforme, de composicin y propiedades iguales en cualquier punto, se llaman homogneas. 8

Ejemplos: el aire limpio, azcar disuelto en agua, cuba sin hielo, etc. En la naturaleza no hay materiales puros y el qumico, para sintetizar cualquier producto, necesita materiales de alta pureza (sustancias puras). Los materiales puros se obtienen a partir de mezclas naturales Cmo saber que un material es puro? Se usan repetidamente varias tcnicas de separacin basadas cada una en una propiedad macroscpica (color, puntos de ebullicin). Cuando la mezcla se separa en materiales puros se tiene la definicin operacional: Sustancia es aquella clase de materia cuyas propiedades no cambian al aplicarle distintos mtodos de separacin. Escribe algunos ejemplos de sustancias. _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ ______ La definicin operacional saca jugo al concepto de sustancia. Si la materia se manifiesta en una infinidad de materiales, que son mezclas de sustancias. Cuntas clases de sustancias se obtienen a partir de las mezclas naturales? Respuesta. Dos clases: los elementos y los compuestos. Los mtodos de separacin pueden ser fsicos o qumicos segn se basan en las propiedades fsicas o qumicas de las sustancias. Concepto de compuesto. Compuesto es una sustancia que no se separa por mtodos fsicos en otras ms sencillas. Ejemplos: Sal de mesa, cal, bicarbonato de sodio, azcar refinada, polietileno, penicilina, almidn, agua, alcohol, glicerina, dixido de carbono, metano. El agua o la sal son compuestos porque mediante destilacin, filtracin, cromatografa (o cualquier mtodo de separacin fsico) no se separan en otras sustancias ms sencillas. Escribe otros ejemplos de compuestos. _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ ______ Concepto de elemento. Elemento es una sustancia que no se separa por mtodos qumicos en otras ms sencillas. Ejemplos: Hidrogeno, oxigeno, nitrgeno, hierro, carbono. 9

Escribe otros ejemplos de elementos (usa la tabla peridica). _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ ______

El agua no es un elemento. Es un compuesto que con electricidad (de un voltaje determinado) se separa en hidrogeno y oxigeno. El hidrogeno y el oxgeno si son elementos porque el calor la electricidad, un agente redox (u otro mtodo qumico) no los separa en sustancias ms sencillas. En un nivel didctico se puede decir que: la materia del mundo cotidiano macroscpicamente se manifiesta en elementos, compuestos y mezclas. Retroalimentacin Temtica Instrucciones: I. Haz tu resumen completando las palabras que faltan. ___________ es lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene ________. Se manifiesta macroscpicamente en una diversidad de materiales. Un material es el conjunto de una o varias ____________ que constituye algn cuerpo. Una sustancia es un _____________ puro cuyas propiedades no cambian al aplicarle los distintos _____________de ________________. Una _______________es aquel material que contiene diferentes sustancias en proporcin variables que se separan por mtodos fsicos. Las mezclas se separan en sustancias que pueden ser elementos o ______________. Los compuestos son materiales puros que por mtodos _______________ se separan en elementos. Los _____________ tambin son materiales puros pero por mtodos qumicos no se separan en sustancias ms sencillas. II.Escribe falso o verdadero.

1.- toda la materia tiene masa (falso/verdadero) ______ 2.- La luz es materia (falso/verdadero) ______ 3.- La tierra es un material? (falso/verdadero) ______ 4.- La tierra es una sustancia? (falso/verdadero) ______ 5.- El diamante es un material? (falso/verdadero) ______ 6.- El diamante es una sustancia? (falso/verdadero) ______ 7.- La leche es un material? (falso/verdadero) ______ 8.- La leche es una sustancia? (falso/verdadero) ______ 10

9.- El aire es un material? (falso/verdadero) ______ 10.- El aire es una sustancia? (falso/verdadero) ______ 11.- Todos los materiales son sustancias puras? (falso/verdadero) ______ 12.- Todas las sustancias puras son materiales? (falso/verdadero) ______ 13.- Todos los compuestos son sustancias puras? (falso/verdadero) ______

III.-

Donde esta el error? en las siguientes oraciones encuentra el error:

1.- El aire es una sustancia Error: __________________________________________________________ 2.- El agua es un elemento Error: __________________________________________________________ IV.Anota dentro del parntesis la respuesta correcta. ) e) ento 2.- Es una manifestacin macroscpica de la materia: ( a) Material b) Materia c) Sustancia ) e) Elem f) Compuesto

1.- Lo que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa: ( a) Material b) Materia c) Sustancia

d) Mezcla

Elem f) Compuesto ento 3.- Es una manifestacin macroscpica de la materia que consta exclusivamente de diferentes sustancias: ( ) a) Material b) Materia c) Sustancia d) Mezcla e) Elem ) f) Compuesto f) Compuesto ento 4.- Es un material puro que no se puede separar por mtodos fsicos: ( a) Material b) Materia c) Sustancia d) Mezcla e) ento 5.- Por mtodos qumicos se separa en sustancias mas sencillas: ( ) a) Material b) Materia c) Sustancia d) Mezcla e) ento 1.2 PROPIEDADES DE LA MATERIA Propiedad: Es una caracterstica de un material que se percibe mediante los sentidos o una serie de operaciones con algn aparato o instrumento. Elem f) Compuesto

d) Mezcla

Elem

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GENERALES (EXTRINSECAS) PROPIEDADES FISICAS

PARTCILULARES (INTRISECAS)

QUIMICAS

Propiedades generales: Son cualidades que no son caracterstica de la sustancia de por s, se dividen en: Divisibilidad (capacidad de un cuerpo de separarse en partculas) Inercia (tendencia de conservar su estado de reposo o movimiento) Impenetrabilidad (dos cuerpos no pueden ocupar el mismo lugar) Porosidad (presencia de espacios vacios) Difusoriedad (habilidad para permitir la difusin en los espacios vacios) rea (Es la extensin de un cuerpo en dos dimensiones) Masa (Es la cantidad de materia que posee un cuerpo. Medida de la inercia) Volumen (Es la extensin de un cuerpo en tres dimensiones)

Propiedades particulares o especificas: Son las cualidades caractersticas de cada sustancia con independencia de tamao o forma de la muestra. Ejemplo, el azcar y la sal son slidos cristalinos blancos. El primero es de sabor dulce y se funde volvindose marrn cuando se calienta en un cazo, puede arder en el fuego directo en contacto con el aire. La sal en cambio se puede calentar a altas temperaturas y no funde, desprendiendo un color amarillento al contacto del fuego directo, se dividen en: Color Estado de agregacin (Slido, Lquido, Gas) Rigidez (resistencia al cambio de forma) Punto de fusin (Temperatura a la que el cuerpo pasa de slido a lquido) Punto de Ebullicin (Temperatura a la que el lquido pasa a vapor) Densidad (Relacin de la masa de un cuerpo entre su volumen) Viscosidad (Resistencia al flujo) Fluidez (Propiedad inversa a la viscosidad) Combustibilidad (Combinacin del oxigeno que genera flama) Acidez (tendencia a donar protones a otra sustancia)

Propiedades fsicas y qumicas Las propiedades especificas se pueden agrupar en fsicas y qumicas segn se formen nuevas sustancias o no. Propiedades fsicas 12

Propiedades fsicas son las caractersticas, observadas o medidas, en las que la sustancia retiene su identidad. Ejemplos: Color, olor sabor, movimiento, cambio en la forma, estado de agregacin, cambio de estado, punto de fusin, de ebullicin, densidad, carga elctrica, etc. El punto de fusin (del hielo) es una propiedad fsica porque al exhibir esta caracterstica, por efecto de la temperatura o la presin, tanto el slido inicial (hielo) como el lquido formado, son manifestaciones diferentes de la misma sustancia (agua). Las propiedades observadas mediante los sentidos se llaman organolpticas (color, brillo, forma, olor, sabor, rigidez, textura, caliente/frio, sonido). Sin embargo, los sentidos no siempre las perciben todas.

Propiedades qumicas Propiedades qumicas son las caractersticas que muestra la sustancia frente a otra (s) ante una manifestacin de energa, es decir, son aquellas que se refieren a la naturaleza intima de la sustancia o a la manera de reaccionar con otra. Ejemplos: Combustibilidad, oxidabilidad (habilidad de aumentar el estado de oxidacin), reducibilidad (habilidad de disminuir el estado de oxidacin), estado de oxidacin (grado de oxidacin de un tomo en una sustancia), acidez, basicidad. Ejemplos y ejercicios sobre algunas propiedades de la materia. a) rea La determinacin del rea es fundamentalmente un problema geomtrico que se resuelve de manera sencilla para los cuerpos regulares. Algunos ejemplos son: A = I2 (cuadrado), A = r2 (crculo), A = Bh (rectngulo) Ejemplo Un vidrio de reloj tiene un radio de 4 cm. Calcula el rea transversal en cm2. A = r2 = 3.1416 (4 cm)2 = 50.2 cm2 b) Volumen El volumen se expresa en metros cbicos (m3). La unidad de volumen mas empleada en la vida cotidiana no es el m3 sino el litro (L). Algunas de las equivalencias para el volumen son: 1 m3 = 1000 dm3, 1 L = 1 dm3, 1 m3 = 1000 L, 1cm3 = 1 ml Al igual que en el caso de rea, determinar el volumen es un problema geomtrico. Los volmenes de algunos cuerpos geomtricos son los siguientes: V = I3 (cubo), V = 4/3 r3 (esfera), V = r2h (cilindro) Ejemplo Cul es el volumen de un lquido contenido en una probeta cuyo radio interno es de 2 cm y una altura del lquido de 25 cm? V = r2h 13

V = 3.1416 (2 cm)2 (25 cm) = 314 cm3 Nota: En el laboratorio de qumica, el mtodo ms comn para medir el volumen de un slido de forma irregular, es sumergirlo en una probeta con un volumen conocido de lquido. El volumen del slido corresponde al aumento de volumen en dicha probeta. c) Densidad La ecuacin para la densidad es Densidad = masa / volumen d=m/V

Donde d, m y V significan densidad, masa y volumen, respectivamente. Como la densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, para un material dado la relacin de masa a volumen siempre es la misma; en otras palabras, V aumenta conforme aumenta m. La unidad derivada del SI para la densidad es kilogramo por metro cubico (Kg/m 3). Esta unidad es demasiado grande para las aplicaciones en qumica; por lo que la unidad gramos por centmetro cubico (g/cm3) y su equivalente (g/ml), se utilizan mas a menudo para expresar las unidades de slidos y lquidos. Como las densidades de los gases son muy bajas. Para ello se emplea la unidad de gramos por litro (g/L): g/cm3 = g/ml = 1000 kg/m3 y 1 g/L = 0.001 g/ml

Los ejemplos 1.1 y 1.2 muestran clculos de densidad. Una observacin importante es que para la resolucin de problemas, es de utilidad hacerse las siguientes preguntas con respecto a la interpretacin de la respuesta de un problema numrico: a) Son correctas las unidades? b) El resultado tiene el nmero de cifras significativas adecuado? c) Es razonable el resultado? La qumica es una ciencia experimental y las respuestas deben tener sentido en trminos de especies reales en el mundo real. Si se ha abordado el problema de manera incorrecta o se tiene un error de clculo. Con frecuencia resulta obvio cuando se observa que el resultado es demasiado grande o demasiado pequeo para la cantidad que se utilizo de materia prima. Ejemplo 1.1 El oro es un metal precioso qumicamente inerte. Se utiliza principalmente en joyera, para piezas dentales y en aparatos electrnicos. Un lingote de oro con una masa de 301 g tiene un volumen de 15.6 cm3. Calcula la densidad de oro. Razonamiento y solucin. Se tiene la masa y volumen y se pide que se calcule la densidad, por tanto, a partir de la ecuacin d = m / V, se escribe d =m/V d = 301 g / 15.6 cm3 d = 19.3 g/ cm3 Ejemplo 1.2 la densidad del etanol, un liquido incoloro conocido comnmente como alcohol de grano, es 0.798 g/ml. Calcula la masa de 17.4 ml del lquido. Razonamiento y solucin. En este caso se cuenta con la densidad y el volumen de un lquido y se pide el clculo de la masa del lquido. Al reorganizar la ecuacin d = m / V, se tiene m=dxV m = 0.798 g x 17 ml m = 13.9 g ml 14

RETROALIMENTACIN TEMTICA Instrucciones: Realiza los siguientes ejercicios: rea y Volumen 1.- Determina el rea de la portada de este libro, exprsala en m2, cm2 y mm2. 2.- Calcula el rea transversal de un vidrio de reloj cuando tiene un dimetro de 10 cm. 3.- Cul es el volumen de un lquido contenido en un vaso de precipitado cuyo dimetro es de 10 cm y una altura del lquido de 12 cm? 4.- Si a la probeta del ejemplo anterior se le agrega un tapn y el volumen de 314 cm 3 aumenta a 385 cm3. Determina el volumen del tapn en m3, cm3 y mm3. Densidad 1.- El bromo es un lquido caf rojizo. Calcula su densidad (en g/ml) si 586 g de la sustancia ocupan 188 ml. 2.- El mercurio es el nico metal lquido a la temperatura ambiente. Su densidad es de 13.6 g/ml. Cuntos gramos de mercurio ocuparn un volumen de 95.8 ml? 3.- El aluminio es un metal ligero (densidad = 2,70 g/cm3) que se utiliza en la construccin de aviones, lneas de transmisin de alto voltaje, latas para bebidas y papel aluminio. Cul es su densidad en kg/m3? 4.- Para la determinacin de la densidad de una barra metlica rectangular, un estudiante hizo las siguientes mediciones: longitud, 8.53 cm, ancho, 2.4 cm; altura, 1.0 cm; masa, 52.7 g. calcula la densidad del metal 5.- Un tubo cilndrico de vidrio de 12.7 cm de largo se llena con mercurio. La masa del mercurio necesaria para llenar el tubo es de 105.5 g. calcule el dimetro interno del tubo. (La densidad del mercurio es de 13.6 g/ml) 6.- Calcule la masa de: a) una esfera de oro de 10.0 cm de radio (el volumen de una esfera de radio r es V = (4/3) r3; la densidad del oro es de 19.3 g/cm3). b) Un cubo de platino de 0.040 mm de lado (la densidad del platino es de 21.4 g/cm3). c) 50 ml de etanol (la densidad del etanol es de 0.798 g/ml). 7.- Se empleo el siguiente procedimiento para determinar el volumen de un matraz. El matraz seco se pes y despus se llen con agua. Las masas del matraz vaco y lleno fueron 56.12 g y 87.39 g, respectivamente, y la densidad del agua es de 0.9976 g/cm 3, calcula el volumen del matraz en cm3. 8.- Un trozo de plata (Ag) metlica que pesa 194.3 g se coloca en una probeta que contiene 242 ml de agua. La lectura en la probeta es ahora de 260.5m. Calcula la densidad de la plata con estos datos. 9.- Una esfera de plomo tiene una masa de 1.2 x 10 4 g y su volumen es de 1.05 x 10 3 cm3. Calcula la densidad del plomo. 10.- El litio es el metal menos denso conocido (densidad: 0.53 g/cm3). Cul es el volumen que ocupan 1.2 x 103 g de litio? 1.3 ESTADOS FSICOS DE LA MATERIA Una muestra de materia puede ser un gas, un lquido o un slido. Estas tres formas se denominan estados fsicos de la materia., presentando distintas propiedades 15

fcilmente observables. Se les llama tambin estados de agregacin, ya que las partculas se agregan sustancias y dependiendo de esto, la masa presentar estado slido, lquido o gaseoso. La siguiente tabla muestra las caractersticas que presentan estos tres estados fsicos. Volumen Forma Energa Cintica (en movimiento) Slido Lquido Gaseoso Definido Definido Indefinido Definida Indefinida Indefinida Baja Media Alta Fuerza de cohesi n Alta Media Nula Fuerza de repulsin Espacios intermolecular es

Baja Media Muy Alta

Muy pequeos Regulares Grandes

Existe un cuarto estado de la materia llamado plasma, el cual es una fase o variacin de los estados anteriores. Se considera as a la materia formada por elementos gaseosos, un ejemplo seria el fuego, el brillo desprendido de las estrellas, etc. Con base en la Tabla anterior escribe la definicin de los estados de agregacin de la materia: Slido: ____________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ Lquido: _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ Gaseoso: _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________

1.5 MTODOS DE SEPARACIN DE MEZCLAS Los elementos se definen como sustancias que no pueden descomponerse en sustancias ms simples. Cada elemento se compone de un solo tipo de sustancia. Los compuestos, en cambio, se componen de dos o ms elementos. La mayor parte de la materia que vemos a diario consiste en mezclas de diferentes sustancias. Estas son 16

mezclas que resultan de la combinacin de dos o ms sustancias en las que cada una de ellas conserva su propia identidad qumica y sus propiedades Existe una serie de mtodos utilizados para separar mezclas, los cuales se emplean dependiendo del tipo de sustancias que se trate. Por ejemplo: Decantacin Filtracin Centrifugacin Destilacin Evaporacin Cristalizacin Sublimacin Extraccin Cromatografa Imantacin

Se describirn a continuacin cada uno de los mtodos sealados. a) Decantacin Sirve para separar un slido insoluble de un lquido. Se deja reposar la solucin para permitir que las partculas que posean mayor densidad se precipiten al fondo y las sustancias de menor densidad permanezcan en la parte de arriba. Basta con vaciar el lquido para separarlo del slido. b) Centrifugacin Esta separacin se realiza mediante un aparato llamado centrfuga, el cual puede ser manual o elctrico. El principio de este aparato se basa en el movimiento de traslacin acelerada y el aumento en la fuerza de gravedad, lo cual provoca la sedimentacin de aquellas partculas de mayor densidad. c) Cristalizacin Este mtodo se emplea para la purificacin de sustancias. Si una solucin, de un slido disuelto en un lquido se evapora parcialmente y posteriormente se deja enfriar, se formaran cristales con los cuales se obtendr una sustancia con un grado de pureza mayor. d) Cromatografa Se emplea para separar mezclas de gases o de lquidos pasndolos a travs de un medio poroso con algunos solventes. e) Filtracin

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Sirve para separar un slido de grano fino de una solucin a travs de un medio poroso (filtro), que permite el paso del lquido y retienen solamente el slido. El filtro que se emplea puede ser de diferentes tamaos de poro; existen de algodn, de fibra de vidrio o de asbesto, tierras especiales, redes metlicas, filtros de membrana, etc. La filtracin al vaco se lleva a cabo a travs de un matraz conectado a una bomba de vaco para que al succionar, el lquido se separe del slido insoluble, quedando este ltimo retenido en el filtro empleado, reducindose as el tiempo de filtracin. f) Destilacin Se emplea para separar mezclas de lquidos miscibles basndose en los puntos de ebullicin de los mismos mediante una evaporacin con una posterior condensacin. Dependiendo de la mezcla que se pretenda separar, existen: la destilacin simple, la destilacin fraccionada (hidrocarburos de petrleo) y la destilacin con arrastre de vapor, que se utiliza para extraer esencias como la canela, la vainilla, el ans, etc.

g) Evaporacin Se utiliza para separar un slido disuelto en un liquido, tambin se emplea para concentrar lquidos en solucin. En ambos casos se aplica calentamiento, solo que en el primer caso el lquido ebulle hasta sequedad, quedando el slido como residuo. h) Sublimacin Este mtodo se emplea para separar slidos, aprovechando la sublimacin de uno de ellos. Consiste en pasar un slido a estado gaseoso y recibirlo en una superficie fra para lograr cristalizar la sustancia. i) Extraccin Se emplea para separar slido lquido o lquido lquido a travs de un solvente adecuado que permite la separacin de uno de los componentes. j) Imantacin Este es un mtodo utilizado para separar slidos con propiedades electromagnticas, como por ejemplo el hierro.

RETROALIMENTACIN TEMTICA Instrucciones: Escribe el tipo de mtodo que utilizaras para separar las siguientes mezclas: 18

1. Fierro y azufre ________________________________________________________ 2. Caldo de verduras _____________________________________________________ 3. Arena y agua __________________________________________________________ 4. Suero de la sangre _____________________________________________________ 5. Talco y agua __________________________________________________________ 6. Alcohol y agua ________________________________________________________ 7. Petrleo _____________________________________________________________ 8. Agua y sal ____________________________________________________________ 9. Azufre y cloruro de sodio ________________________________________________ 10.Carbonato de calcio y agua _______________________________________________ 1.5 FENMENOS O CAMBIOS EN LA MATERIA Fenmeno es todo cambio que se produce de manera natural o artificial. Los cambios que experimentan las sustancias se pueden clasificar en fsicos o qumicos. Cambio o fenmeno fsico. Se identifica cuando solo se modifica la apariencia fsica de la sustancia pero no su composicin ntima. Por ejemplo la evaporacin del agua, en la que hay un cambio de estado lquido al gaseoso, pero su composicin no se altera, es decir sigue siendo agua. Cambio o fenmeno qumico. Ocurre cuando se altera la composicin intima de la materia y este cambio es irreversible. Por ejemplo la combustin de la gasolina, la cual al quemarse se convierte en energa, dixido de carbono y agua.

RETROALIMENTACIN TEMTICA Instrucciones:

19

Identifica en los siguientes ejemplos, cuales son fenmenos fsicos y cuales fenmenos qumicos. 1. Explosin de una bomba _____________________________________________ 2. Fusin de la cera ___________________________________________________ 3. Corrosin de los metales _____________________________________________ 4. Revelado de una fotografa ___________________________________________ 5. Fotosntesis _______________________________________________________ 6. Dilatacin de un metal _______________________________________________ 7. Combustin de un cerillo _____________________________________________ 8. La respiracin _____________________________________________________ 9. Formacin del arcoris _______________________________________________ 10.Transmisin de calor ________________________________________________ 11.Acumulador en uso _________________________________________________ 12.Deshielo de un iceberg ______________________________________________ 13.Quebrar un vidrio ___________________________________________________ 14.Digestin _________________________________________________________ 15.Oxidacin de un metal _______________________________________________ 16.Elaborar nieve _____________________________________________________ 17.Romper un peridico ________________________________________________ 18.Fermentacin ______________________________________________________ 19.Disolucin de azcar ________________________________________________ 20.Ciclo de Krebs _____________________________________________________

Qu saba?

Qu aprend?

Qu me aprender?

falt Qu debo hacer?

20

1.6 ESTRUCTURA ATMICA

Este tema consta de tres contenidos: modelos atmicos, partculas subatmicas y nmeros cunticos. El propsito principal es que el alumno identifique, comprensa y construya las estructuras atmicas, desde los antecedentes de los modelos atmicos hasta el modelo basado en la teora cuntica.Actividades de apertura

1. De manera individual, en una hoja tamao carta, dibuja el modelo de un tomo, seala las partes que la componen y escribe sus caractersticas. 2. De acuerdo con el tema integrador previamente seleccionado por el profesor, enlista las aplicaciones del tomo.

21

Figura 1. Historieta de la materia.

22

I.7 GENERALIDADES SOBRE EL TOMO

Desde tiempos muy remotos el hombre ha tratado de explicarse cual es la naturaleza de todo lo que nos rodea. Demcrito y Leucipo, filsofos griegos, en el siglo V a.C. fueron los primeros en introducir la palabra tomo, definindola como una porcin de la materia que era indivisible (a=sin, tome=divisin).

1.8 MODELO ATMICO DE DALTON El concepto de tomo se ignor durante muchos siglos, hasta que a fines del siglo XVIII el ingls John Dalton (1766-1844) vuelve al tema del tomo y propone la primera teora atmica basndose en las leyes de las proporciones definidas y mltiples; enuncia los siguientes postulados: 1) La materia est constituida por tomos, los cuales son partculas indestructibles (muy pequeas, de forma esfrica, slidas y de peso fijo). 2) Los tomos del mismo elemento son todos iguales entre s. 3) Los tomos de un elemento son diferentes de los de otros elementos. 4) Al combinarse, los tomos lo hacen en proporciones definidas y con nmeros enteros.

Figura 2. Modelo atmico de Dalton.

1.9 MODELO ATMICO DE THOMSON Aos despus, se experiment con tubos de descarga de Crookes (conocidos comnmente como tubos de rayos catdicos), y se demostr que la materia es de naturaleza elctrica, aunque esto ya era conocido por los griegos; por primera vez se pens que la materia se poda dividir. A fines del siglo XIX, Joseph John Thomson (1856-1940) sugiri un modelo atmico semejante a un budn con pasas, donde el tomo era una esfera de electrificacin positiva en la que se encontraban incrustados los electrones.

23

Figura 3. Modelo atmico de Thomson.

1.10 MODELO ATMICO DE RUTHERFORD En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937), con base en su experimento de la dispersin de las partculas alfa al chocar con lminas de oro y platino, ide un modelo atmico con las siguientes caractersticas: a) El tomo est formado por un ncleo donde se localiza toda su carga positiva y la mayor parte de su masa. b) Alrededor del ncleo giran los electrones formando una nube electrnica. c) Los tomos son neutros porque el nmero de electrones y protones es igual.

Figura 4. Modelo atmico de Rutherford.

1.11 MODELOO ATMICO DE BOHR En 1913, el fsico dans Niels Bohr (1885-1962) propuso un modelo atmico para explicar la estructura atmica, fundamentando su teora en la teora cuntica propuesta por Max Planck (1858-1947); se bas en los siguientes postulados: a) Los electrones en los tomos giran alrededor del ncleo en rbitas circulares o en niveles de energa definidos. b) Mientras los electrones se mueven en rbitas o niveles de energa definidos, no absorben ni desprenden energa. c) Los electrones pueden pasar de un nivel a otro de menor a mayor energa, y viceversa, siempre y cuando absorban o desprendan la energa necesaria. 24

d) Cuando los electrones absorben o desprenden energa lo hacen en cantidades unitarias llamadas cuntos, que corresponden a la diferencia de energa entre los dos niveles.

Figura 5. Modelo atmico de Bohr.

1.12 MODELO ATMICO DE SOMMERFELD En 1916, Arnold Sommerfeld (1868-1951), con la ayuda de la teora de la relatividad de Albert Einstein (1879-1955), hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr: a) Los electrones se mueven alrededor del ncleo en rbitas circulares o elpticas. b) A partir del segundo nivel energtico existen dos o ms subniveles en el mismo nivel. c) El electrn es una corriente elctrica minscula. Para describir los nuevos subniveles, Sommerfeld introdujo un parmetro llamado nmero cuntico azimutal, que design con la letra l.

Figura 6. Modelo atmico de Sommerfeld.

1.13 MODELO ATMICO SCHRDINGER 25

Partiendo de las ideas de Planck y Louis de Broglie (1892-1987) y aplicando las matemticas de William Rowam Hamilton (1805-1865), Erwin Schrdinger (1887-1961) desarroll un modelo matemtico en donde aparecen tres parmetros: n, l y m; no fij trayectorias determinadas para los electrones, slo la probabilidad de que se hallen en una zona, explica parcialmente los espectros de emisin de todos los elementos. Sin embargo, a lo largo del siglo XX han sido necesarias nuevas mejoras del modelo para explicar otros fenmenos espectrales.

Figura 7. Modelo atmico de Schrdinger. 1.14 MODELO ATMICO DE DIRAC-JORDAN Basndose en la mecnica cuntica ondulatoria, ampliaron los conocimientos anteriores, y en 1928 Paul Dirac (1902-1984) logr una descripcin cuntico-relativista del electrn, prediciendo la existencia de la antimateria. En las ecuaciones de Dirac y Pascual Jordan (1902-1980) aparece el cuarto parmetro con caracterstica cuntica, denominado s, adems de los ya conocidos n,l y m.

Figura 8. Modelo atmico de Dirac y Jordan.

26

RESUMENMODELOS ATMICOS Leyes de proporciones def inidas y mltiples Postul 1. 2. 3. 4. La materia est constituida por tomos. En un mismo elemento sus tomos son iguales entre s. Elementos dif erentes, sus tomos son dif erentes entre s. Se combinan en proporciones def inidas de nmeros enteros.

Dalton

Thomson

Se bas en

Una esfera cargada positivamente y los electrones incrustados en ella. Sugiri que

Perrin

Modific el modelo de Thomson

Las cargas negativas se encuentran en la parte externa de la esfera.

Rutherf ord

En el ncleo se encuentra concentrada la mayora de la materia del tomo. Los electrones giran alrededor del ncleo. Propuso Modelo atmico para explicar Fundamentada la estructura atmica Y modific

Bohr

En la teora cuntica de Plank.

Sommerf eld

Utiliz

Teora relativista de Einstein

El modelo de Bohr.

Schrdinger

Parti de las

Ideas de Plank y de Broglie

Aplic

Matemticas de Hamilton

Desarroll

Modelo matemtico Desarroll Tres parmetros n, l y m

Dirac y Jordan

Reconsideraron

Mecnica cuntica

Consideraron Los efectos de la relatividad

Surgi

El parmetro s

Nmeros cunticos Describen

El ordenamiento electrnico de cualquier tomo.

27

1.15 PARTCULAS SUBATMICAS.

El tomo es una partcula ms pequea de un elemento que puede participar en una reaccin qumica y mantener su composicin. El tomo est constituido por partculas subatmicas.

Gracias a los estudios realizados con descargas elctricas en gases contenidos en tubos, se descubri que el tomo est constituido esencialmente por tres partculas subatmicas: electrn, protn y neutrn, que presentan caractersticas especficas, adems existen partculas subtomicas como positrn, mun, neutrino y quark, entre otras.

Electrn. Partcula elemental de carga negativa, cuya masa se aproxima a cero y forma parte de la envoltura del tomo.

Los electrones intervienen en una gran variedad de fenmenos fsicos y qumicos. Se dice que un objeto est cargado elctricamente si sus tomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un dficit de los mismos. El flujo de una corriente elctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conduccin del calor tambin se debe fundamentalmente a la actividad electrnica.

Protn. Es una partcula con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrn; se encuentra en el ncleo.

Neutrn. Partcula neutras elctricamente, existente en el ncleo, con masa aproximadamente igual a la del protn.

La existencia del neutrn fue anunciada por Rutherford en 1920. Si bien fue hasta 1932 que el fsico ingls James Chadwick (1891-1974) dio un paso definitivo al observar que existan partculas que no eran desviadas por un campo electromagntico y posean 28

una masa ligeramente superior a la del protn. Chadwick llam a estas partculas neutrones y concluy que eran las partculas neutras existentes en el ncleo.

Tabla 1. Caractersticas de las partculas subatmicas CARGA ELCTRICA CGS ATMI CA -1 MASA ATMICA CGS (G) ATMICA LOCALIZACI N EN EL TOMO Girando alrededor del ncleo En el ncleo En el ncleo

PARTCUL A

SMBOL O

Electrn

e

-1.602X1019

9.109X1028

0.00055 uma 1.0073 uma 1.0087 uma

Protn Neutrn

p n

+1.602X10-19

+1 0

1.673X1024

0

1.675X1024

Nmero atmico, nmero de masa atmica, masa atmica

Nmero atmico. Se representa con la letra Z y se define como el nmero de protones localizados en el ncleo del tomo de un elemento. La designacin del nmero atmico la realiz Henry Moseley (1887-1915), quien con sus experimentos confirm la propuesta de Antonius Van den Broek (1870-1926) en el orden de los elementos en la tabla peridica a partir de su nmero atmico. El nmero atmico, adems de indicar la cantidad de protones, nos seala la cantidad de electrones, que es igual a la de protones para que el tomo sea elctricamente neutro, es decir: p=e=Z.

Nmero de masa atmica. Se designa con la letra A y es igual a la suma de protones ms neutrones que existen en el ncleo de un tomo; sus unidades se dan en unidades de masa atmica (u; antes uma).

Si conocemos el nmero de masa (A) y el nmero atmico (Z) de un elemento, podemos calcular el nmero de neutrones n de acuerdo con la siguiente frmula: 29

n=AZ

Masa atmica. Es el promedio de los nmeros de masa de los istopos que existen de un elemento en la naturaleza.

Con la ayuda del espectrgrafo de masas, el cientfico Francis William Aston (1877-1945) descubri que los elementos de gran pureza eran una mezcla de tomos del mismo elemento que tenan diferentes nmeros de masa, a los que llam istopos.

Istopo. Variedad de tomos de un mismo elemento con la misma cantidad de electrones y protones, pero con diferente cantidad de neutrones, por lo que tienen diferente nmero de masa.

Para representar los istopos de un elemento, primero se escribe el smbolo del elemento y se coloca del lado izquierdo, en la parte superior, el nmero de masa (A) correspondiente a ese istopo, y en la parte inferior su nmero atmico (Z).

Por ejemplo, le elemento hidrgeno presenta tres istopos cuyos nombres son hidrgeno (nmero de masa 1 u), deuterio (nmero de masa 2 u) y tritio (nmero de masa 3 u), de acuerdo con la figura 10.

Figura 10. Istopos de hidrgeno.

30

Si multiplicamos el nmero de masa de cada istopo por su porcentaje de abundancia dividido entre 100 y sumamos los resultados, se obtiene la masa que comnmente conocemos como masa atmica del elemento; este es el valor que aparece como peso atmico del elemento. Se hace la aclaracin de que el nmero de masa no es el mismo que la masa atmica. Lo anterior se puede expresar matemticamente con la siguiente expresin:

Donde A1, A2, , An son la masa isotpica del mismo elemento.

Ejemplo 1

Determinar la masa atmica del cloro (Cl), que tiene los siguientes istopos:

A 35 37

% DE ABUNDANCIA 75.4 24.6

Actividades de aprendizaje

31

1. Calcula la masa atmica de los siguientes elementos a partir de los siguientes elementos, a partir de sus nmeros de masa y el porcentaje de abundancia en la naturaleza (ver ejemplo anterior). ELEMENTO NMERO DE MASA Li Li Masa atmica del litio (Li) = K K K Masa atmica del potasio (K) = S S S S Masa atmica del azufre (S) = % DE ABUNDANCIA

2. Investiga, auxilindote del internet, software, libros o revistas, el artculo sobre el accidente ocurrido en Chernobyl y explica cmo sucedi, cul fue el impacto ecolgico en zona y de qu manera nos afecta aunque nos encontramos aparentemente lejos. 3. Consulta la pgina de internet www.inin.mx del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares e investiga los usos y aplicaciones de la radiactividad. Para determinar la cantidad de partculas subatmicas de un tomo, nicamente se requiere del nmero de masa y el nmero atmico. Ejemplo 2 Calcula el nmero de neutrones de cada uno de los siguientes istopos del elemento nen (Ne): Para el istopo tenemos los siguientes datos:

o Nmero de masa A = 20 o Nmero atmico = Nmero de protones Z = 10 o Nmero de neutrones n=? 32

Sabemos que: n = A = Z = 20 10

Por lo tanto, el nmero de neutrones es: n = 10 Para el istopo tenemos los siguientes datos:

o Nmero de masa A = 22 o Nmero atmico = Nmero de protones Z = 10 o Nmero de neutrones n=? Sabemos que: n = A = Z = 22 10 Por lo tanto, el nmero de neutrones es: n = 12

Actividades de aprendizaje Completa la tabla con los datos que faltan de los istopos. Observa el siguiente ejemplo para el calcio (Ca): o Smbolo del elemento: Ca o Nmero de masa A: 40 + o Nmero de protones p :20 o Nmero de neutrones n0: ? Para calcular el nmero de neutrones se utiliza la siguiente frmula: n0 = A Z

Como Z = p+, entonces con los datos que se dan para el Ca, A = 40 y p+ = 20, podemos calcular n0: n0 = 40 20 = 20

33

Tabla 2. Clculo de partculas Subatmicas.

SMBOLO DEL ELEMENTO Nm. de masa A (A = n0 + Z) Nm. De protones p+ (p = Z) Nm. De neutrones n0 = A Z+

S

B 11

F 19

K 39

Fe 57

C

N 14

Si

Ne 20

Cl 35

16

9

6

7

14

17

18

6

20

31

8

15

10

34

RESUMEN

TOMO Construido por Partculas subatmicas Son Electrn (e) Protn(p +) Neutrn(n ) Tiene Es la Su f rmula es Su f rmula es Su f rmula es e = p + = Z p+ = A = n n = A p + Con Propiedades: Carga elctrica Nmero de masa Nmero atmico Localizacin

Masa atmica

Suma porcentual de los nmeros de masa de los istopos que existen en un elemento

Su f rmula es

=

( A1 ) (% de abundancia ( A 2 ) (% de abundancia100 100

de A 1

) ) )

+ + +

de A 2 de A n

Donde A1, A2, , An son la masa isotpica del mismo elemento

( A n ) (% de abundancia100

Tiene Tiene

Nmero de masa (A) Nmero atmico (Z)

Es la Es el

Suma de protones y neutrones

Su f rmula es

A = p+ + n

Nmero de protones localizados en el ncleo del tomo

1.16 NMEROS CUNTICOS

La fsica clsica no pudo determinar la ubicacin exacta de los electrones en el tomo, por lo cual sugiri los que se conoce como mecnica cuntica, que aport conocimientos tericos para explicar el comportamiento del electrn, derivando parmetros conocidos como nmeros cunticos que al tomar valores indican dnde es ms probable encontrar un electrn. Dichos nmeros cunticos son los siguientes:

1. n: Nmero cuntico principal, tambin conocido como espacio energtico

fundamental; determina el nivel de energa en el que se localiza un electrn dado; toma los valores de 1, 2, 3, 4, , . 2. l: Nmero cuntico secundario o azimutal, indica el tipo de subnivel o forma de la nube electrnica: toma valores desde 0, 1, , n 1. Los subniveles estn representados por las letras s, p, d, f, llamados tambin orbitales (figuras 11 a la 14). Tabla 3. Valores de l de acuerdo al subnivel. 35

VALOR DE l l=0 l=1 l=2 l=3

SUBNIVEL s p d f

Figura 11. Orientacin espacial (3 dimensin) del orbital s.

Figura 12. Tres orientaciones espaciales (3 dimensin) del orbital p.

Figura 13. Cinco orientaciones espaciales (3 dimensin) del orbital d.

Figura 14. Siete orientaciones espaciales (3 dimensin) del orbital f.

36

3. m: Nmero cuntico magntico, representa la orientacin espacial del orbital;

toma valores que van desde l hasta + l.

Tabla 4. Valores de l y m para cada subnivel. SUBNIVEL VALORES DE l VALORES DE m NMERO DE ORIENTACIONES s 0 0 1 p 1 -1, 0, +1 3 d 2 -2, -1, 0, +1, +2 5 f 3 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 7 En el modelo atmico de Bohr se estableci que los electrones giran alrededor del ncleo en niveles de energa especficos; cada nivel acepta un nmero determinado de electrones de acuerdo con la siguiente ecuacin (Tabla 5): Nmero de e = 2n2 y a su vez, cada subnivel acepta 2n electrones, los cuales estn distribuidos en cada subnivel como se indica en la tabla 6. Tabla 5. Nmero de electrones que acepta cada nivel. NMERO DE NIVEL NMERO DE ELECTRONES QUE ACEPTA 1 2 2 8 3 18 4 32 Tabla 6. Distribucin de electrones de acuerdo con el subnivel. NMERO DE DISTRIBUCIN DE NMERO DE SUBNIVEL ELECTRONES QUE ELECTRONES EN CADA ORIENTACIONES ACEPTA ORIENTACIN s 1 2 2 p 3 6 2,2,2 d 5 10 2,2,2,2,2 f 7 14 2,2,2,2,2,2,24. s: Nmero cuntico spin, indica la rotacin o giro del electrn y slo puede tomar

dos valores, + y ; tambin se pueden representar con vectores:

37

Figura 15. Representacin del sentido de giro del nmero cuntico (s).

Actividades de aprendizaje

1. En equipo y con apoyo de las figuras 11 y 12, elaboren fsicamente el orbital s y

los tres orbitales p (px, py y pz) con su orientacin utilizando plastilina, unicel, alambre, globos, palillos, alguna fruta o los materiales que deseen; asesrate con tu maestro y presntalo a tu grupo. 2. Toma en cuenta la teora de la mecnica cuntica y ne equipo elabora el modelo fsico de Dirac-Jordan del tomo de nen (Ne), resaltando el electrn diferencial con otro color, usando los materiales que quieras; asesrate con tu maestro, presntalo a tus compaeros y compralo con los dems modelos indicando las diferencias o coincidencias.1.17 CONFIGURACIN ELECTRNICA

Representar los electrones de un tomo por medio de esferas, como se realiz utilizando el modelo atmico de Bohr, o de manera tridimensional, mediante los orbitales propuestos por la teora cuntica, resulta complicado, en particular para elementos con varios electrones; esta situacin gener la necesidad de pensar en una forma de representacin ms sencilla. Para construir una estructura que permita representar la configuracin electrnica es necesario tener presentes los principios de la teora cuntica con respecto a los niveles de energa, los subniveles y los orbitales, es decir, cumplir con lo especificado en cada uno de los nmeros cunticos.

Principio de exclusin de Pauli

Con la determinacin de los nmeros cunticos, y despus de realizar una extensa investigacin, Wolfgang Pauli (1900-1958) estableci: En un tomo no pueden existir dos electrones que tengan los cuatro nmeros cunticos iguales.

Regla de Hund

Para indicar la forma en que los electrones van ocupando las diferentes orientaciones de un subnivel existe un principio llamado de mxima multiplicidad o regla de Hund, que dice: En subniveles con ms de una orientacin no puede existir apareamiento electrnico si al menos no existe un electrn en cada orientacin.

38

Donde el apareamiento es tener dos electrones con los tres nmeros cunticos n, l y m igual y slo diferente el spin (s). Para ilustrar esta regla, el giro del electrn se representar con flechas hacia arriba (positivo) y flechas hacia abajo (negativo), con guiones los orbitales, con nmero los niveles y con letras los subniveles.

Ejemplo 3

El subnivel p tiene 3 orientaciones. No puede llenarse la primera orientacin con 2 electrones y dejar la tercera orientacin vaca: lo que se debe hacer es acomodar los electrones de uno en uno en cada orientacin y despus, si an hay ms electrones por acomodar, aparearlos (hacer pares), como se muestra a continuacin:

Despus de haber diseado varios experimentos para determinar la posicin y velocidad del electrn, en 1927, el fsico alemn Werner Heisenberg (1901-1976) estableci el principio conocido como de incertidumbre o de Heisenberg, que sostiene: No es posible conocer al mismo tiempo la posicin y la velocidad de un electrn.

Principio de Aufbau

La palabra Aufbau es de origen alemn y significa construccin o desarrollo. Este principio sirve para indicarnos la manera en que los electrones van ocupando los diferentes subniveles y establece lo siguiente: En un tomo, los electrones buscan su acomodo en aquellos subniveles de menor energa, es decir, aquellos en que su valor de n+1 sea menor.

39

Figura 16. Orden de llenado de los subniveles de acuerdo con el valor n+1.

De forma ms prctica para el estudiante, puede considerar la figura 17, tambin conocida como regla de las diagonales, para el orden de llenado.

Instrucciones para la utilizacin de la regla de las diagonales (figura 17)

Figura 17. Regla de las diagonales.

Para seguir la secuencia de llenado se debe empezar con la primera flecha en 1s de arriba hacia debajo de forma diagonal, hasta terminar con 7p o antes, dependiendo del nmero de electrones del tomo: observars que los niveles no son consecutivos, y esto se debe a los traslapes que sufren los subniveles, por lo que la secuencia es: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7f, 5f, 6d, 7p. Toma en cuenta que el subnivel s tiene una capacidad de 1 a 2 electrones, para p es de 1 a 6 electrones, para d es de 1 a 10 electrones y para f es de 1 a 14 electrones.

40

A continuacin se muestra en la tabla 7 la secuencia, indicando la cantidad mxima de electrones para cada subnivel.

Tabla 7. Principio de Aufbau NIVEL 1 2 3 4 5 6 7 1s2 2s2, 2p6 3s2, 3p6 4s2, 3d10, 4p6 5s2, 4d10, 5p6 6s2, 4f14, 5d10, 6p6 7s2, 5f14, 6d10, 7p6 SUBNIVEL

Configuracin electrnica y diagrama energtico de tomos

Actualmente, la representacin atmica se hace por medio de la configuracin electrnica y de los diagramas energticos.

Configuracin electrnica. Es la representacin de la distribucin de los elementos en el tomo, segn el nivel y subnivel de energa que ocupan.

Para desarrollar la configuracin electrnica se toma en cuenta el nmero atmico del elemento y la regla de las diagonales, recordando la cantidad de electrones que admite cada subnivel. De la configuracin electrnica se puede obtener la siguiente informacin:

41

Ejemplo 4. Observa el desarrollo de la configuracin electrnica de los siguientes elementos.

4

Be N P Cr Ge Kr

1s2,2s2 1s2,2s2,2p3 1s2,2s2,2p6,3s2,3p3 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d4 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p2 1s2,2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6

7

15

24 32

36

Actividades de aprendizaje

Desarrolla la configuracin electrnica de los siguientes elementos, apoyndote en el ejemplo anterior.

17

Cl As Cr La Al Am Pd Co

33 24

57 13

95 46

27

Configuracin electrnica utilizando el Kernel

El Kernel es la representacin de la configuracin electrnica simplificada, partiendo de un gas noble que est contenida en la configuracin del elemento. Para aplicar el kernel se parte del gas noble cuyo nmero atmico sea menor al del elemento que se va a desarrollar, indicndolo entre corchetes [ ]; a continuacin se aplica la secuencia del diagrama de las diagonales. Toma la figura 17 como referencia de ayuda para la construccin. En el cuadro 1s se escribe He; en el 2p, Ne; en el 3p, Ar; en el 4p, Kr; en el 5p, Xe y, finalmente, en el cuadro 6p escribimos Rn. Para obtener el nmero de electrones de

42

cada uno de los gases nobles se realiza la siguiente suma, y de este proceso se obtiene la figura 18.

Figura 18. Orden de llenado de los subniveles con los gases nobles.

Ejemplo 5

Desarrollo de la configuracin electrnica del oxgeno (O) con nmero atmico 8 y del cloro (Cl) con nmero atmico 17, utilizando el Kernel. 1. 8O, el gas noble con nmero atmico menor de 8 es el elemento 2He. Entonces la

configuracin electrnica del oxgeno es:8

O [He]2 2s2, 2p410

2.

17

Cl, el gas noble con nmero atmico menor de 17 es el elemento Entonces, la configuracin electrnica del cloro es:17

Ne.

Cl [Ne]103s2, 3p5

Diagrama electrnico o energtico. Es la representacin grfica del nivel y del subnivel de energa, indicando con vectores (flechas) el giro del electrn y con guiones los orbitales correspondientes a cada subnivel.

43

El proceso de colocacin de cada una de las flechas (electrones) para cada nivel y subnivel en el siguiente:

Para los subniveles s, la primera flecha se marca hacia arriba, la segunda se marca hacia abajo en el mismo orbital. Para los subniveles p se tienen que ubicar seis flechas; se colocan las tres primeras sealando hacia arriba de manera consecutiva en los tres orbitales; la cuarta flecha se coloca sealando hacia abajo en el orbital px; la quinta sealando hacia abajo en el orbital py, la sexta sealando hacia abajo en el orbital pz. Para los subniveles d se tienen que ubicar diez flechas, y se sigue el procedimiento anterior pero con cinco orbitales. Para los subniveles f se tienen que ubicar catorce flechas, y se sigue el mismo procedimiento pero con siete orbitales.Ejemplo 6.

A continuacin se desarrolla el diagrama electrnico del oxgeno con nmero atmico 8, indicando el proceso de colocacin de cada una de las flechas (electrones) para cada nivel y subnivel. La flecha ms oscura indica el ltimo electrn que ha entrado en el subnivel.

44

Ejemplo 7.

45

Observa cmo se representa el diagrama electrnico del elemento carbono ( C ), con nmero atmico 6.

Electrn diferencial.

Electrn diferencial. Es el ltimo electrn que se adiciona a la configuracin electrnica de un elemento y permite distinguir a un elemento de otro; se puede identificar por el valor de sus cuatro nmeros cunticos.

Ejemplo 8.

10

Ne tiene la siguiente configuracin electrnica:

1s2, 2s2, 2p6

Su diagrama electrnico es:

El ltimo electrn de la configuracin electrnica corresponde al electrn diferencial.

46

Los nmeros cunticos correspondientes al electrn diferencial son:

Nivel de energa (coeficiente) Subnivel de energa (letra=p) Orientacin Giro del electrn (flecha hacia abajo)

n=2 l=1 m=+1 s=

Actividades de aprendizaje

1. Desarrolla el diagrama electrnico con kernel para cada uno de los siguientes elementos y determina los cuatro nmeros cunticos correspondientes al electrn diferencial. Observa el ejemplo.NMEROS CUNTICOS DEL ELECTRN DIFERENCIAL n=3 Cl l=1 m=0 s = 33

ELEMENTO

DIAGRAMA CON KERNEL

17

As Cr La Al Am Pd Co

24 57

13 95

46 27

2. Elabora un mapa conceptual utilizando los conceptos tomo, configuraciones electrnicas, diagrama energtico, nmeros cunticos, electrn diferencial; despus presenta tu trabajo al grupo; analiza y corrige si es necesario. 3. Ahora reflexiona. Considerando tu compromiso con tu aprendizaje, contesta las siguientes preguntas y toma decisiones honestas. 47

Qu saba?

Qu aprend?

Qu me aprender?

falt Qu debo hacer?

48

NMEROS CUNTICOS Principal (n) Azimutal (l) Magntico (m) Spin (s) Determina el nivel de energa y toma valores de 1, 2, 3, , Indica la f orma de la nube electrnica y toma valores desde 0, 1, , n-1 Representa la orientacin espacial del orbital y toma valores que van desde l hasta +l Indica la rotacin o giro del electrn y toma valores de + y .

Explican el comportamiento y la ubicacin probable del electrn Se representa con la Conf iguracin electrnica Es La representacin de la distribucin de los electrones de un tomo en nivel y subnivel de energa

Se identif ica Se determina por medio de

Electrn dif erencial

ltimo electrn que se adiciona a la configuracin electrnica

Diagramas energticos

Aplicando

Principio de Pauli

En un tomo no pueden existir dos electrones que tengan los cuatro nmeros cunticos iguales. Cuando los electrones se agregan a orbitales de la misma energa, lo hacen de uno en uno en cada orbital antes de completar el par. En un tomo los electrones buscan su acomodo en aquellos subniveles de menor energa.

Regla de Hund

Principio de Aufbau

49

TOMO 1.1 Modelos atmicos 1.1.1 Modelo atmico de Dalton 1.1.2 Modelo atmico de Thomson 1.1.3 Modelo atmico de Perrin 1.1.4 Modelo atmico de Rutherf ord 1.1.5 Modelo atmico de Bohr 1.1.6 Modelo atmico de Sommerf eld 1.1.7 Modelo atmico de Schrdinger 1.1.8 Modelo atmico de Dirac-Jordan

1.2 Partculas subatmicas

1.2.1 Nmero atmico, nmero de masa atmica, masa atmica

1.2 Partculas subatmicas

1.3.1 Principio de exclusin de Pauli 1.3.2 Regla de Hund 1.3.3 Principio de Auf bau 1.3.4 Conf iguracin electrnica y diagrama energtico de tomos 1.3.5 Electrn dif erencial

50

RETROALIMENTACIN TEMTICA

Con el propsito de complementar e integrar el conocimiento, realiza las actividades planteadas a continuacin.

1. Resuelve el siguiente crucigrama.1

2 5

3

4

6 7

8

9

10 13

11

12

14

15

16

17 18

19

20

EclipseCrossword.com

51

Horizontal

5. 7. 8.

Representacin grfica de la distribucin de electrones en niveles y subniveles. Tienen 1,3,5, o bien, 7 orientaciones. Partcula que gira alrededor del ncleo.

10. Es la suma de las partculas que se encuentran en el ncleo del tomo. 15. En su modelo atmico aparece el parmetro s. 16. tomo de carbono que contiene seis protones y ocho neutrones. 18. s,p,d,f. 19. n, l, m, s 20. Ordenamiento de electrones en niveles y subniveles.

Vertical

1. 2. 3. 4. 6. 9.

Significa construccin o desarrollo. Los electrones deben acomodarse primero uno en cada orientacin y despus aparearse. Determin que cada electrn en un tomo tiene nmeros cunticos diferentes. Palabra griega que significa indivisible. Partcula que se encuentra en el ncleo y tiene carga positiva. Z.

11. El promedio porcentual de los nmeros de masa de los istopos de cualquier elemento. 12. Desarroll un modelo matemtico con los parmetros n,l y m. 13. Fsico dans que propuso un modelo atmico. 14. Partculas que se encuentran en el ncleo y no tienen carga. 17. Partculas que forman parte del tomo.

2. Aplicando los conocimientos adquiridos en esta unidad, completa los datos de la siguiente tabla. 52

NM. DE MASA (A)

NM. DE e-

QUMICOELEMENTO

NM. ATMICO (Z)

NM. DE p+

NUM. DE n0

1.18 TABLA PERIDICA La tabla peridica de los elementos clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos qumicos, conforme a sus propiedades y caractersticas. Suele atribuirse la tabla a Dimitri Mendeleiev, quien orden los elementos basndose en la variacin manual de las propiedades qumicas, si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llev a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades fsicas de los tomos. Historia La historia de la tabla peridica est ntimamente relacionada con varios aspectos del desarrollo de la qumica y la fsica:

El descubrimiento de los elementos de la tabla peridica. El estudio de las propiedades comunes y la clasificacin de los elementos. La nocin de masa atmica (inicialmente denominada "peso atmico") y, posteriormente, ya en el siglo XX, de nmero atmico y Las relaciones entre la masa atmica (y, ms adelante, el nmero atmico) y las propiedades peridicas de los elementos.

CONFIGURA-CIN ELECTRNICA

NMEROS CUNTICOS DE eDIFERENCIAL 53

El descubrimiento de los elementos Aunque algunos elementos como el oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), plomo (Pb) y el mercurio (Hg) ya eran conocidos desde la antigedad, el primer descubrimiento cientfico de un elemento ocurri en el siglo XVII cuando el alquimista Henning Brand descubri el fsforo (P). En el siglo XVIII se conocieron numerosos nuevos elementos, los ms importantes de los cuales fueron los gases, con el desarrollo de la qumica neumtica: oxgeno (O), hidrgeno (H) y nitrgeno (N). Tambin se consolid en esos aos la nueva concepcin de elemento, que condujo a Antoine Lavoisier a escribir su famosa lista de sustancias simples, donde aparecan 33 elementos. A principios del siglo XIX, la aplicacin de la pila elctrica al estudio de fenmenos qumicos condujo al descubrimiento de nuevos elementos, como los metales alcalinos y alcalino-trreos, sobre todo gracias a los trabajos de Humphry Davy. En 1830 ya se conocan 55 elementos. Posteriormente, a mediados del siglo XIX, con la invencin del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos, muchos de ellos nombrados por el color de sus lneas espectrales caractersticas: cesio (Cs, del latn caesus, azul), talio (Tl, de tallo, por su color verde), rubidio (Rb, rojo), etc. La nocin de elemento y las propiedades peridicas Lgicamente, un requisito previo necesario a la construccin de la tabla peridica era el descubrimiento de un nmero suficiente de elementos individuales, que hiciera posible encontrar alguna pauta en comportamiento qumico y sus propiedades. Durante los siguientes 2 siglos, se fue adquiriendo un gran conocimiento sobre estas propiedades, as como descubriendo muchos nuevos elementos. La palabra "elemento" procede de la ciencia griega pero su nocin moderna apareci a lo largo del siglo XVII, aunque no existe un consenso claro respecto al proceso que condujo a su consolidacin y uso generalizado. Algunos autores citan como precedente la frase de Robert Boyle en su famosa obra "The Sceptical Chymist", donde denomina elementos "ciertos cuerpos primitivos y simples que no estn formados por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se componen inmediatamente y en que se resuelven en ltimo trmino todos los cuerpos perfectamente mixtos". En realidad, esa frase aparece en el contexto de la crtica de Robert Boyle a los cuatro elementos aristotlicos. A lo largo del siglo XVIII, las tablas de afinidad recogieron un nuevo modo de entender la composicin qumica, que aparece claramente expuesto por Lavoisier en su obra "Tratado elemental de Qumica". Todo ello condujo a diferenciar en primer lugar qu sustancias de las conocidas hasta ese momento eran elementos qumicos, cules eran sus propiedades y cmo aislarlos. El descubrimiento de un gran nmero de nuevos elementos, as como el estudio de sus propiedades, pusieron de manifiesto algunas semejanzas entre ellos, lo que aument el inters de los qumicos por buscar algn tipo de clasificacin. Los pesos atmicos A principios del siglo XIX, John Dalton (1766-1844) desarroll una nueva concepcin del atomismo, al que lleg gracias a sus estudios meteorolgicos y de los gases de la atmsfera. Su principal aportacin consisti en la formulacin de un 54

"atomismo qumico" que permita integrar la nueva definicin de elemento realizada por Antoine Lavoisier (1743-1794) y las leyes ponderales de la qumica (proporciones definidas, proporciones mltiples, proporciones recprocas). Dalton emple los conocimientos sobre proporciones en las que reaccionaban las sustancias de su poca y realiz algunas suposiciones sobre el modo cmo se combinaban los tomos de las mismas. Estableci como unidad de referencia la masa de un tomo de hidrgeno (aunque se sugirieron otros en esos aos) y refiri el resto de los valores a esta unidad, por lo que pudo construir un sistema de masas atmicas relativas. Por ejemplo, en el caso del oxgeno, Dalton parti de la suposicin de que el agua era un compuesto binario, formado por un tomo de hidrgeno y otro de oxgeno. No tena ningn modo de comprobar este punto, por lo que tuvo que aceptar esta posibilidad como una hiptesis a priori. Dalton conoca que 1 parte de hidrgeno se combinaba con 7 partes (8 afirmaramos en la actualidad) de oxgeno para producir agua. Por lo tanto, si la combinacin se produca tomo a tomo, es decir, un tomo de hidrgeno se combinaba con un tomo de wolframio, la relacin entre las masas de estos tomos deba ser 1:7 (o 1:8 se calculara en la actualidad). El resultado fue la primera tabla de masas atmicas relativas (o pesos atmicos como los llamaba Dalton) que fue posteriormente modificada y desarrollada en los aos posteriores. Las incertidumbres antes mencionadas dieron lugar a toda una serie de polmicas y disparidades respecto a las frmulas y los pesos atmicos que slo comenzaran a superarse, aunque no totalmente, con el congreso de Karlsruhe en 1860. Metales, no metales, metaloides y metales de transicin La primera clasificacin de elementos conocida fue propuesta por Antoine Lavoisier, quien propuso que los elementos se clasificaran en metales, no metales y metaloides o metales de transicin. Aunque muy prctico y todava funcional en la tabla peridica moderna, fue rechazada debido a que haba muchas diferencias en las propiedades fsicas como qumicas. Triadas de Dbereiner Uno de los primeros intentos para agrupar los elementos de propiedades anlogas y relacionarlo con los pesos atmicos se debe al qumico alemn Johann Wolfgang Dbereiner(1780-1849) quien en 1817 puso de manifiesto el notable parecido que exista entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variacin gradual del primero al ltimo. Posteriormente (1827) seal la existencia de otros grupos de tres elementos en los que se daba la misma relacin (cloro, bromo y yodo; azufre, selenio y telurio; litio, sodio y potasio).

55

Triadas de Dbereiner LiCl LiO H CaCl Calcio2

A estos grupos de tres elementos se les denomin triadas y hacia 1850 ya se haban encontrado unas 20, lo que indicaba una cierta regularidad entre los elementos qumicos.

Litio

CaS O4

Azufr e

H2S SO2

Sodio

Dbereiner intent relacionar las propiedades qumicas de estos elementos (y de sus compuestos) con los pesos atmicos, observando una gran analoga entre ellos, y una variacin gradual del primero al ltimo.

NaC l NaO H

Estronc io

SrCl2 SrS O4

Selen io

H2S e Se O2 H2T e Te O2

Potasio

KCl KO H

BaCl Bario2

BaS O4

Teluri o

En su clasificacin de las triadas (agrupacin de tres elementos) Dbereiner explicaba que el peso atmico promedio de los pesos de los elementos extremos, es parecido al peso atmico del elemento de en medio. Por ejemplo, para la triada Cloro, Bromo, Yodo los pesos atmicos son respectivamente 36, 80 y 127; si sumamos 36 + 127 y dividimos entre dos, obtenemos 81, que es aproximadamente 80 y si le damos un vistazo a nuestra tabla peridica el elemento con el peso atmico aproximado a 80 es el bromo lo cual hace que concuerde un aparente ordenamiento de triadas. Chancourtois En 1864, Chancourtois construy una hlice de papel, en la que estaban ordenados por pesos atmicos (masa atmica) los elementos conocidos, arrollada sobre un cilindro vertical. Se encontraba que los puntos correspondientes estaban separados unas 16 unidades. Los elementos similares estaban prcticamente sobre la misma generatriz, lo que indicaba una cierta periodicidad, pero su diagrama pareci muy complicado y recibi poca atencin. Ley de las octavas de Newlands En 1864, el qumico ingls John Alexander Reina Newlands comunic al Royal College of Chemistry (Real Colegio de Qumica) su observacin de que al ordenar los elementos en orden creciente de sus pesos atmicos (prescindiendo del hidrgeno), el octavo elemento a partir de cualquier otro tena unas propiedades muy similares al primero. En esta poca, los llamados gases nobles no haban sido an descubiertos. Esta ley mostraba una cierta ordenacin de los elementos en familias (grupos), con propiedades muy parecidasLey de las octavas de Newlands 1 2 Be 9,0 Mg 24, 3 Ca 40, 0 3 4 5 6 7

Li 6,9 Na 23,0 K 39,0

B 10, 8 Al 27, 0

C 12, 0 Si 28, 1

N 14, 0 P 31, 0

O 16, 0 S 32, 1

F 19, 0 Cl 35, 5

56

entre s y en Periodos, formados por ocho elementos cuyas propiedades iban variando progresivamente. El nombre de octavas se basa en la intencin de Newlands de relacionar estas propiedades con la que existe en la escala de las notas musicales, por lo que dio a su descubrimiento el nombre de ley de las octavas.

Como a partir del calcio dejaba de cumplirse esta regla, esta ordenacin no fue apreciada por la comunidad cientfica que lo menospreci y ridiculiz, hasta que 23 aos ms tarde fue reconocido por la Royal Society, que concedi a Newlands su ms alta condecoracin, la medalla Davy. Tabla peridica de Mendeleiev En 1869, el ruso Dmitri Ivnovich Mendeleiev publica su primera Tabla Peridica en Alemania. Un ao despus lo hace Julius Lothar Meyer, que bas su clasificacin peridica en la periodicidad de los volmenes atmicos en funcin de la masa atmica de los elementos. Por esta fecha ya eran conocidos 63 elementos de los 90 que existen en la naturaleza. La clasificacin la llevaron a cabo los dos qumicos de acuerdo con los criterios siguientes:

Colocaron los elementos por orden creciente de sus masas atmicas. Situaron en el mismo grupo elementos que tenan propiedades comunes como la valencia.

Tabla de Mendelyev publicada en 1872. En ella deja casillas libres para elementos por descubrir.

La primera clasificacin peridica de Mendeleiev no tuvo buena acogida al principio. Despus de varias modificaciones public en el ao 1872 una nueva Tabla Peridica constituida por ocho columnas desdobladas en dos grupos cada una, que al cabo de los aos se llamaron familia A y B. 57

En su nueva tabla consigna las frmulas generales de los hidruros y xidos de cada grupo y por tanto, implcitamente, las valencias de esos elementos. Esta tabla fue completada a finales del siglo XIX con un grupo ms, el grupo cero, constituido por los gases nobles descubierto durante esos aos. El qumico ruso no acept en principio tal descubrimiento, ya que esos elementos no tenan cabida en su tabla. Pero cuando, debido a su inactividad qumica (valencia cero), se les asign el grupo cero, la Tabla Peridica qued ms completa. El gran mrito de Mendeleiev consisti en pronosticar la existencia de elementos. Dej casillas vacas para situar en ellas los elementos cuyo descubrimiento se realizara aos despus. Incluso pronostic las propiedades de algunos de ellos: el galio (Ga), al que llam eka-aluminio por estar situado debajo del aluminio; el germanio (Ge), al que llam eka-sicilio; el escandio (Sc); y el tecnecio (Tc), que sera el primer elemento artificial obtenido en el laboratorio, por sntesis qumica, en 1937. La nocin de nmero atmico y la mecnica cuntica La tabla peridica de Mendeleiev presentaba ciertas irregularidades y problemas. En las dcadas posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las "tierras raras" y los elementos radioactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existan para compaginar el criterio de ordenacin por peso atmico creciente y la agrupacin por familias con propiedades qumicas comunes. Ejemplos de esta dificultad se encuentran en las parejas telurio-yodo, argn-potasio y cobalto-nquel, en las que se hace necesario alterar el criterio de pesos atmicos crecientes en favor de la agrupacin en familias con propiedades qumicas semejantes. Durante algn tiempo, esta cuestin no pudo resolverse satisfactoriamente hasta que Henry Moseley (1867-1919) realiz un estudio sobre los espectros de rayos X en 1913. Moseley comprob que al representar la raz cuadrada de la frecuencia de la radiacin en funcin del nmero de orden en el sistema peridico se obtena una recta, lo cual permita pensar que este orden no era casual sino reflejo de alguna propiedad de la estructura atmica. Hoy sabemos que esa propiedad es el nmero atmico (Z) o nmero de cargas positivas del ncleo. La explicacin que aceptamos actualmente de la "ley peridica" descubierta por los qumicos de mediados del siglo pasado surgi tras los desarrollos tericos producidos en el primer tercio del siglo XX. En el primer tercio del siglo XX se construy la mecnica cuntica. Gracias a estas investigaciones y a los desarrollos posteriores, hoy se acepta que la ordenacin de los elementos en el sistema peridico est relacionada con la estructura electrnica de los tomos de los diversos elementos, a partir de la cual se pueden predecir sus diferentes propiedades qumicas.

58

Tabla peridica de los elementos

Grupo

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Periodo 1 2 3 4 5 6 7 1 H 3 4 Li Be 11 12 Na Mg 19 20 21 22 K Ca Sc Ti 23 V 5 B 13 Al 6 C 14 Si 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn

24 25 26 27 28 29 30 31 32 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge 50 Sn 82 Pb

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In 55 56 * Cs Ba 72 Hf 73 Ta 74 75 76 77 W Re Os Ir 78 Pt 79 80 81 Au Hg Tl

87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 ** Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Lantnidos * Actnidos ** 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

Alcalinos

Alcalinotrre os

Lantnido s

Actnidos

Metales de transicin

Metales del bloque p Metaloides

No metales

Halgen os

Gases nobles y Transactnidos

59

Clasificacin Grupos A las columnas verticales de la tabla peridica se les conoce como grupos. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia atmica, y por ello, tienen caractersticas o propiedades similares entre s. Por ejemplo, los elementos en el grupo IA tienen valencia de 1 (un electrn en su ltimo nivel de energa) y todos tienden a perder ese electrn al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el ltimo grupo de la derecha son los gases nobles, los cuales tienen lleno su ltimo nivel de energa (regla del octeto) y, por ello, son todos extremadamente no reactivos. Numerados de izquierda a derecha, segn la ltima recomendacin de la IUPAC (y entre parntesis segn la antigua propuesta de la IUPAC), los grupos de la tabla peridica son:Grupo 1 (I A): los metales alcalinos Grupo 2 (II A): los metales alcalinotrreos Grupo 3 (III A): Familia del Escandio Grupo 4 (IV A): Familia del Titanio Grupo 5 (V A): Familia del Vanadio Grupo 6 (VI A): Familia del Cromo Grupo 7 (VII A): Familia del Manganeso Grupo 8 (VIII): Familia del Hierro Grupo 9 (VIII): Familia del Cobalto Grupo 10 (VIII): Familia del Nquel Grupo 11 (I B): Familia del Cobre Grupo 12 (II B): Familia del Zinc Grupo 13 (III B): los trreos Grupo 14 (IV B): los carbonoideos Grupo 15 (V B): los nitrogenoideos Grupo 16 (VI B): los calcgenos o anfgenos Grupo 17 (VII B): los halgenos Grupo 18 (0): los gases nobles

60

Perodos Las filas horizontales de la tabla peridica son llamadas perodos. Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla peridica, los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares: todos los elementos de un perodo tienen el mismo nmero de orbitales. Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca segn su configuracin electrnica. El primer perodo solo tiene dos miembros: hidrgeno y helio; ambos tienen slo el orbital 1s. La tabla peridica consta de 7 perodos:

Perodo 1 Perodo 2 Perodo 3 Perodo 4 Perodo 5 Perodo 6 Perodo 7

La tabla tambin est dividida en cuatro clases o bloques, s, p, d, f, que estn ubicados en el orden s,d,p, de izquierda a derecha, y f lantnidos y actnidos. Esto depende de la letra en terminacin de los elementos de este grupo, segn el principio de Aufbau. BloquesBloque de la tabla peridica

Tabla peridica dividida en bloques.

La tabla peridica se puede tambin dividir en bloques de elementos segn el orbital que estn ocupando los electrones ms externos. Los bloques se llaman segn la letra que hace referencia al orbital ms externo: s, p, d y f. Podra haber ms elementos que llenaran otros orbitales, pero no se han 61

sintetizado o descubierto; en este caso se contina con el orden alfabtico para nombrarlos.

Bloque s Bloque p Bloque d Bloque f

RETROALIMENTACIN TEMTICA

1.- Resuelva el siguiente crucigrama, buscando la palabra que complemente correctamente cada uno de los enunciados. De forma vertical, podrs leer el nombre de la rama de la biologa que se encarga del estudio de la relacin entre los seres vivos y el medio ambiente.

a) Elemento indispensable en la vida humana. b) Metal blanco presente en el sistema seo de los mamferos. c) Metal de color gris azulado que tiene numerosas aplicaciones en la industria; tambin se encuentra presente en la sangre y su carencia produce anemia. d) Metal alcalino muy ligero de nmero atmico 3. e) Slido duro, de color negruzco, semejante al carbono, que est colocado a la izquierda de ste. f) Gas abundante en la naturaleza, constituye aproximadamente las cuatro quintas partes del aire atmosfrico. g) Gas incoloro que forma parte del agua y es el elemento ms ligero que existe. h) Elemento ms dctil y maleable despus del oro, cuyo principal productor es Mxico.

62

2.- Sopa de elementos. En el siguiente conjunto de letras se encuentran escondidos los nombres de 40 elementos; descbrelos y antalos abajo, seguido cada uno de su smbolo. Busca los nombres en forma horizontal, vertical, diagonal, de izquierda a derecha, de arriba abajo y viceversa. En la tabla peridica comprueba si los nombres que encontraste son correctos.

Elemento

Smbolo

Elemento

Smbolo

63

1.

21.

2.

22.

3.

23.

4.

24.

5.

25.

6.

26.

7.

27.

8.

28.

9.

29.

10.

30.

11.

31.

12.

32.

13.

33.

14.

34.

15.

35.

64

16.

36.

17.

37.

18.

38.

19.

39.

20.

40.

3.- De la figura de la golfista y con ayuda de tu tabla peridica, relaciona la letra con que inicia el nombre de las partes externas del cuerpo humano y de su vestimenta con el nombre y el smbolo de los elementos qumicos.

Cuerpo/Vestimenta Boca

Elemento Boro

Smbolo B

65

4.- Prctica la localizacin de los elementos en la tabla peridica larga, llenando la tabla siguiente:

66

Elemento

Smbolo Periodo Grupo Nombre del grupo

Nm. Atmico Masa atmica p+ en0 Bloque Estado de agregacin

67

UNIDAD II ENLACES QUMICOS Recordando un poco a cerca de la estructura atmica cada elemento qumico est constituido por unidades ms pequeas denominadas tomos y cada tomo est formado por un ncleo central y 1 o ms capas de electrones. Dentro del ncleo residen partculas subatmicas: protones (de carga positiva) y neutrones (partculas del mismo peso, pero sin carga). El nmero de protones del ncleo es caracterstico de cada elemento y es llamado nmero atmico, Ejemplo: Hidrgeno: 1, Carbono: 6, Fsforo: 15. Los electrones giran alrededor del ncleo en regiones del espacio denominadas rbitas, los tomos grandes albergan a varias rbitas o capas de electrones, el orbital ms externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces pue