Materia: Qumica

Clave ACC: INC 0401 SEMESTRE : 2005 2006 (1)

Das de Clase y Horas: Jueves 15:00 a 17:00

Lunes 17:00 a 19:00 Viernes 16:00 a 18:00

Semanas: 19

Profesor (a): Arturo Garca Aguilar

Objetivo General de la materia: ADQUIRIR CONOCIMIENTOS BSICOS SOBRE LA ESTRUCTURA DE LOS COMPUESTOS QUMICOS ORGNICOS E INORGNICOS, AS COMO SU NOMENCLATURA, PROPIEDADES FSICAS, REACTIVIDAD, ENERGA Y EQUILIBRIO, ADEMS DE SU IMPACTO ECONMICO Y SOCIAL.

NDICE :

1. 1.1

Materia, estructura y periodicidad. Materia: estructura, composicin, estados de agregacin y clasificacin por Propiedades.

1.1.1 Sustancias puras: elementos y compuestos. 1.1.2 Dispersiones o mezclas. 1.1.3 Caracterizacin de los estados de agregacin: slido cristalino, liquido, slido, vtreo y gel. 1.1.4 Cambios de estado 1.1.5 Clasificacin de las sustancias naturales por semejanzas en: propiedades fsicas, propiedades qumicas. Base experimental de la teoria cuantica y estructura atmica. Radiacin de cuerpo negro

1.1.6 1.1.7

1.1.8 Teoria atmica de Bohr 1.1.9 Estructura atmica: principio de dualidad, principio de incertidumbre, funcin de onda, Principio de Afbau, Principio de Exclusin de Pauli. 1.1.10 Configuraciones electrnicas: regla de Hund 1.2 Periodicidad qumica.

1.2.1 Desarrollo de la tabla peridica moderna . 1.2.2 Clasificacin peridica de los elementos. 1.2.3 Propiedades atmicas y variaciones peridicas: carga nuclear efectiva, radio atmico, radio inico, energa de iotizacin, afinidad elctrica, electronegatividad. 1.2.4 Propiedades qumicas y su variacin peridica: tendencias generales y por grupo. 1.3 Elementos de importancia econmica, industrial y ambiental en la religin o en el pas. Enlaces qumicos y el estado slido (cristalino)

2 .-

2.1

Introduccin

2.1.1 Conceptos de enlace qumico. 2.1.2 Clasificacin de los enlaces qumicos 2.2 2.3 Smbolos de Lewis y regla del octeto Enlace inico

2.3.1 Elementos que forman compuestos inicos 2.3.2 Propiedades fsicas de compuestos inicos. 2.4 Enlace covalente

2.4.1 Comparacin entre las propiedades de los compuestos inicos y covalentes.

2.4.2 Fuerza del enlace covalente 2.4.3 Geometras moleculares: RPECV 2.4.4 Enlaces covalentes y traslape de orbtales. 2.4.5 orbtales hbridos 2.4.6 Momentos bipolares 2.4.7 Enlaces mltiples 2.5 Enlace metlico y elementos semiconductores

2.5.1 Teoria de Bandas 2.5.2 Clasificacin en base a su conductividad elctrica. 2.6 Fuerzas Inter. moleculares y propiedades fsicas. 2.6.1 Van Der Waals: Dipolo dipolo, London Puente de PH 2.6.2 Influencia de las fuerzas intermoleculares en las propiedades fsicas 2.7 Estructura de los materiales

2.7.1 Estado slido(cristalino) 2.7.2 Concepto y caracterizacin de sistemas cristalinos

2.7.3 Anisotropa 2.7.4 Defectos cristalinos y consecuencia en propiedades microscpicas. 2.7.5 Correlaciones: Propiedades Estructura enlace qumico. 2.7.6 Estado vtreo 2.7.7 Estructura amorfa 2.7.8 Propiedades, caractersticas de un material vtreo 2.7.9 Proceso de cristalizacin y verificacin vs propiedades fisicoqumicas, modificadores de red. 3 Reacciones inorgnicas, su esteqiometria, su importancia econmica, industrial y ambiental. Clasificacin de las reacciones

3.1

3.1.1 Reacciones segn el cambio qumico 3.1.2 Reacciones segn aspectos energticos 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.4 Balanceo de reacciones qumicas Por el mtodo Redox Por el mtodo de ion electrnico Concepto de esteqiometria Leyes de la conservacin de la materia

3.4.1 Ley de la conservacin de la materia. 3.4.2 Ley de las proporciones constantes 3.4.3 Ley de las proporciones mltiples 3.5 Clculos estequimetricos A

3.5.1 Unidades de medida usuales: tomo gramo, mol gramo, volumen gramo, molecular, numero de avogadro . 3.6 Clculos estequimetricos B: relacin peso peso, relacin peso volumen.

3.6.1 Reactivo limitante, reactivo en exceso, grado de conversin o rendimiento.

3.7 4 4.1

Compuestos de importancia econmica, industrial y ambiental Estado liquido, soluciones, suspensiones y coloides Estado liquido.

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 4.2.1

Clasificacin Propiedades conductoras Clasificacin de molculas Clasificacin de disolventes Propiedades fsicas de un liquido molecular como disolvente Tensin superficial y viscosidad de los lquidos Soluciones Parmetros de solubilidad

4.2.2 Modo de expresar las concentraciones: concentracin peso, fraccin molar, molaridad, modalidad, normalidad, disolucin y densidad. 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 Propiedades coligativas Suspensiones y coloides Suspensiones Obtencin de coloides Coloides liofilicos y liofobicos Tixotropa Esteqiometria en soluciones acuosas cido base (conceptos y clculos) Oxido reduccin (conceptos y clculos)

5. 5.1

Gases Conceptos bsicos: gas como estado de agregacin, gas ideal, gas real, propiedades criticas y factor de compresibilidad. Propiedades PVT: Ley de Boyle, Charles, Gay Luzca. Termoqumica y electroqumica Termoqumica Calor de reaccin Calor de formacin Calor de solucin Electroqumica Electroqumica y celdas electrolticas Electroqumica y celdas voltaicas (Galvanicas) Celdas voltaicas de uso practico Corrosin

5.2 6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Equilibrio qumico, cintica qumica y equilibrio en solucin. Cintica qumica: velocidades de reaccin y el mecanismo de reaccin La constante de equilibrio Principio de Le Chatelier Constante de iotizacin Producto de solubilidad Solucin amortiguadora.

1. MATERIA Denominamos materia a todo aquello que podemos percibir con nuestros sentidos, es decir, todo lo que podemos ver, oler, tocar, or o saborear es materia. Toda la materia est formada por tomos y molculas. Un cuerpo es una porcin de materia, delimitada por unas fronteras definidas, como un folio, el lpiz o la goma de borrar; varios cuerpos constituyen un sistema material Las distintas formas de materia que constituyen los cuerpos reciben el nombre de sustancia. El agua, el vidrio, la madera, la pintura ... son distintos tipos de sustancias. Todos los cuerpos estn formados por materia, cualquiera sea su forma, tamao o estado. Pero no todos ellos estn formados por el mismo tipo de materia, sino que estn compuesto de sustancias diferentes. Para examinar la sustancia de la que est compuesto un cuerpo cualquiera, ste puede dividirse hasta llegar a las molculas que lo componen. Estas partculas tan pequeas son invisibles a nuestros ojos, sin embargo, mantienen todas las propiedades del cuerpo completo. A su vez, las molculas pueden dividirse en los elementos simples que la forman, llamados tomos. Todos los cuerpos tienen masa ya que estn compuestos por materia. Tambin tienen peso, ya que son atrados por la fuerza de gravedad. Por lo tanto, la masa y el peso son dos propiedades diferentes y no deben confundirse. Otra propiedad de la materia es el volumen, porque todo cuerpo ocupa un lugar en el espacio. A partir de las propiedades anteriores surgen, entre otras, propiedades como la impenetrabilidad y la dilatabilidad. La materia est en constante cambio. Las transformaciones que pueden producirse son de dos tipos:

-

Fsicas: son aquellas en las que se mantienen las propiedades originales de la sustancia ya que sus molculas no se modifican.

- Qumicas: son aquellas en las que las sustancias se transforman en otras, debido a que los tomos que componen las molculas se separan formando nuevas molculas. (a) Qu es la Fsica de Materia Condensada La fsica de materia condensada abarca el estudio de los estados slidos, lquido, gel y otros en que la materia se presenta en conglomerados de enorme nmero de tomos. Aunque cada tomo es elctricamente neutro, en la materia condensada estn tan cerca unos de otros, que entre vecinos se influencian considerablemente mediante interaccin electromagntica. Decimos que entre tomos vecinos se forman enlaces, mediante los cuales los tomos de un trozo de materia condensada se unen entre s y manifiestan un comportamiento colectivo. Propiedades fsicas como la dureza, el color o la densidad de un material son parte de este comportamiento colectivo. La fsica de materia condensada busca establecer las relaciones entre las propiedades macroscpicas de un material y el comportamiento de sus constituyentes a nivel microscpico o atmico. Existe hoy en da gran inters en conocer propiedades de la materia bajo condiciones externas especiales, como baja temperatura, alta presin o alto vaco, presencia de campos elctrico y magntico, radiacin, etc.

Ejemplos y Aplicaciones El campo de investigacin en esta rea es muy extenso y sus logros no slo tienen valor cientfico, sino que tambin benefician directamente al desarrollo tecnolgico. Un ejemplo claro de esto es el desarrollo de la electrnica, impulsada por el avance de la fsica de semiconductores. Semiconductores: Fenmenos muy interesantes ocurren en sistemas artificialmente preparados, depositando, una sobre otra, capas atmicas de distintos elementos sobre un material que sirve como base (crecimiento epitaxial). El estudio de la materia condensada no se limita ya a estructuras atmicas naturales, sino que incluye tambin otras construidas por el ser humano. de Ingeniera Materiales: Este grado de conocimiento permite concebir materiales artificiales con propiedades especficas y guiar su realizacin prctica. As por ejemplo se ha creado aleaciones livianas y resistentes empleadas en la industria automotriz, semiconductores de conductividad elctrica controlada mediante el dopado con impurezas, detectores de luz para determinado rango de longitudes de onda, etc.

ESTRUCTURA La Qumica est ntimamente ligada a toda clase de modelos para comprender, interpretar y disear los enlaces qumicos entre los tomos de una molcula, el tamao de los tomos y molculas, la forma espacial de las molculas y las propiedades que presentan en diferentes entornos. En particular, en este curso sobre la Estructura de la Materia se abordan estos modelos y otros relacionados con el ncleo atmico, modelos que, siendo fciles de comprender cuando se tienen, son difciles de implementar en laboratorios qumicos.

Para resolver estas dificultades y aprovechando todas las facilidades que ofrece la computacin en base a redes , procesamiento de imgenes y acceso a las comunicaciones satelitales, es que se ha preparado este material docente para nuestros estudiantes.

COMPOSICIN La transformacin del gas de hidrgeno (H) en helio (He) en el interior de las estrellas, se realiza bsicamente a travs de uno de los dos procesos siguientes: la reaccin protn-protn [PP], o bien el ciclo del carbono [CC]; con cualquiera se obtiene el mismo resultado. Tambin debe tenerse en cuenta una tercera reaccin de gran importancia, denominada proceso triple alfa. Mediante la reaccin "protn-protn", 4 tomos de hidrgeno se convierten directamente en 1 de helio. A travs del "Ciclo de carbono" se arriba a un resultado similar, slo que adems de los tomos de hidrogeno es necesaria la presencia del carbono como elemento catalizador. Este ciclo tiene lugar cuando se superan los 15 millones de grados, es decir en estrellas donde su temperatura central es mayor que la correspondiente al Sol. Finalmente sucede que la suma de la masa de los ncleos de los tomos de hidrogeno que participan en la transformacin, es mayor a la masa total del ncleo resultante helio. Esa diferencia de masa es la que se convierte en energa y que luego, en forma de luz y calor, emerger en todas las direcciones posibles, desde el centro de la estrella hacia su superficie. Despus de la formacin de helio, el proceso de las transformaciones nucleares contina con la creacin sucesiva de otros elementos, ms pesados que el hidrogeno, como el carbono, el nitrgeno, el oxgeno, etc, hasta finalizar en el hierro; en este fenmeno participa el proceso triple alfa. La produccin de los elementos ms pesados que el hierro no es resultado de reacciones termonucleares; se producen slo por captura de neutrones en etapas muy violentas de la evolucin de la estrella (por ejemplo, en los eventos de supernova.

Se puede asimilar el ncleo de las estrellas a una caldera donde se originan los elementos qumicos desde el hidrogeno al hierro, todo lo que compone el universo. A travs del anlisis de los espectros, se ha podido comprobar que todas las estrellas (incluido el Sol), tienen aproximadamente la misma abundancia relativa de los diferentes elementos qumicos. Siguen en abundancia al hidrgeno y al helio: silicio, magnesio, hierro y aluminio. Esto indica que la abundancia de los elementos presentes en la superficie de la Tierra, comparados con los observados en las estrellas, es completamente diferente. Pero no todas las estrellas presentan exactamente la misma composicin qumica. En el caso de las estrellas fras (con temperaturas menor que 2.000 C) se verifica que entre las mismas, existen sensibles diferencias en las abundancias del carbono, el nitrgeno y el oxgeno. Los astrnomos tambin hallaron que en las estrellas ms viejas existe una menor abundancia de elementos de mayor peso atmico a ms pesados en comparacin con las estrellas ms jvenes. Esta evidencia confirmara la hiptesis que las estrellas son el lugar donde se originan los elementos que siguen al hidrgeno y al helio en la tabla peridica. Pero las estrellas, simultneamente con la formacin de los elementos siguientes al helio, experimentan otras mutaciones: aumentan de tamao al comienzo y luego disminuyen. Esos cambios son el resultado de que la cantidad de energa emitida es variable, y que por consiguiente el astro cambia de brillo; es decir, se convierte en lo que se ha denominado una estrella variable. En ocasiones, las estrellas sufren cambios violentos y expulsan parte de sus capas exteriores a su espacio circundante; en esas circunstancias, se producen los elementos qumicos que siguen al hierro y terminan en el uranio. El gas expulsado por la estrella, junto con las partculas de polvo diseminados en el espacio, conforman nuevos astros con una composicin qumica diferente a las estrellas de la generacin anterior. De este modo, mediante un lento proceso de recomposicin de elementos, el universo recicla y modifica su composicin qumica, aumentando gradualmente la proporcin de elementos ms pesados que el hidrgeno en las estrellas que se van formando. COMPOSICIN DEL AIRE PURO De acuerdo con la altitud, composicin, temperatura y otras caractersticas, la atmsfera que rodea a la Tierra y comprende las siguientes capas o regiones: Troposfera: Alcanza una altura media de 12 Km. (es de 7km. En los polos y de 16km. En los trpicos) y en ella encontramos, junto con el aire, polvo, humo y vapor de agua, entre otros componentes. Estratosfera :

Zona bastante mente fra que se extiende de los 12 a los 50km de altura; en su capa superior (entre los 20 y los 50km) contiene gran cantidad de ozono (O 3 ), el cual es de enorme importancia para la vida en la tierra por que absorbe la mayor parte de los rayos ultravioleta del sol. Mesosfera: Zona que se sita entre los 50 y los 100km de altitud; su temperatura media es de 10 C; en ella los meteoritos adquieren altas temperaturas y en su gran mayora se volatilizan y consumen. Ionosfera: Empieza despus de los 100km. Y va desapareciendo gradualmente hasta los 500km de altura. En esta regin, constituida por oxgeno (0 2 ), la temperatura aumenta hasta los 1000C; los rayos X y ultravioleta del Sol ionizan el aire enrarecido, produciendo tomos y molculas cargados elctricamente (que reciben el nombre de iones) y electrones libres. Exosfera: Comienza a 500km. de altura y extiende ms all de los 1000km; est formada por una capa de helio y otra de hidrogeno. Despus de esa capa se halla una enorme banda de radiaciones (conocida como magnetosfera) que se extiende hasta unos 55000km de altura , aunque no constituye propiamente un estrato atmosfrico. El aire limpio y puro forma una capa de aproximadamente 500 000 millones de toneladas que rodea la Tierra, de las su composicin es la siguiente: Componente 1. Nitrgeno 2. Oxgeno 3. Dixido de Carbono 4. Argn 5. Nen 6. Helio 7. Criptn 8. Xenn 9. Hidrgeno 10.Metano 11.xido nitroso 12.Vapor de Agua 13.Ozono 14.Partculas Concentracin aproximada 78.03% en volumen 20.99% en volumen 0.03% en volumen 0.94% en volumen 0.00123% en volumen 0.0004% en volumen 0.00005% en volumen 0.000006% en volumen 0.01% en volumen 0.0002% en volumen 0.00005% en volumen Variable Variable Variable

(N) (O) (CO 2 ) (Ar) (Ne) (He) (Kr) (Xe) (H) (CH 4 ) (N 2 O) (H 2 O) (O 3 )

1.1 ESTADOS DE AGREGACIN Y CLASIFICACION POR PROPIEDADES. Para poder estudiar a las sustancias, para tratar de acercarnos a ellas e intentar conocerlas, parece apropiado tratar de clasificarlas en algunas pocas categoras, para as dedicar nuestros esfuerzos a tratar de comprender una de ellas a la vez. Una primera aproximacin es clasificarlas por su estado de agregacin: slidos, lquidos y gases, y veremos qu puede aportar el anlisis de los estados de agregacin de la materia a la naturaleza del enlace que se presenta en un compuesto. Clasificacin segn estado de agregacin Sea que la materia est compuesta de tomos no enlazados (como en los gases nobles), molculas (como en el agua) u otros agregados de tomos cargados elctricamente (como en la sal comn), por simplicidad, llamaremos genricamente a cualquiera de estas partculas constituyentes de la materia como entidades. Ya sabes que la materia se presenta en tres estados de agregacin: slido, lquido y gaseoso. En un gas la densidad es muy baja, comparada con la de un lquido o un slido. Tambin, los gases son compresibles, mientras que los otros estados no lo son. Estas propiedades se pueden explicar porque las entidades que forman el gas estn muy separadas unas de las otras y tienen ms movilidad que en los otros estados. Es decir, en lquidos y slidos la distancia entre las entidades es menor, lo mismo que la movilidad. En la Tabla 1 se presenta una serie de compuestos slidos, con muy altos puntos de fusin Tabla 1. Slidos con elevados puntos de fusin Estado agregacin Slidos temperatura fusin alta de Compuestos con de Punto de fusin (0C) 800 3550

Cloruro de sodio (NaCl) Diamante [C (diamante)] Hidroxiapatita, que forma parte de los huesos [Ca 5 (PO 4 ) 3 OH] 1600 1528 Hierro (Fe)

Si la temperatura de fusin es aqulla a la cual un slido pasa al estado lquido, podemos suponer que la mayor o menor temperatura de fusin de un slido es un reflejo de la intensidad de las fuerzas de atraccin entre las entidades que lo forman. Es decir, un alto punto de fusin nos sugiere que las entidades que conforman esa sustancia se encuentran unidas por interacciones muy fuertes. Esto puede asociarse con la posibilidad de que cada una de las entidades que constituye al slido est unida con la misma intensidad a cada una de las entidades

vecinas, y stas a su vez se encuentren unidas con la misma intensidad a cada una de sus vecinas, formando una red tridimensional muy rgida, a la que hay que aplicar mucha energa para romper. A este tipo de interacciones se les llama multidireccionales En los slidos con temperatura de fusin alta, las interacciones entre las entidades que los constituyen son multidireccionales. Cuando hay interacciones de este tipo, las sustancias NO se presentan como lquidos o gases, ya que se forma una red infinita de entidades fuertemente unidas entre s. Sin embargo hay muchas sustancias slidas que funden a temperaturas comparativamente mucho ms bajas, como las que se muestran en la tabla 2.

Tabla 2. Slidos con bajo punto de fusin Slidos con temperatura de fusin baja Fenol (C 6 H 5 OH) Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) Azufre (S 8 ) 43C 185C 119C

El fenol es un slido cristalino que se funde a 43C. Arriba de este valor de temperatura, se convierte el lquido, pero sigue siendo fenol. Esto puede interpretarse como que las entidades que constituyen al fenol se separan entre s, al aplicarles calor, pero siguen conservando su identidad, siguen siendo entidades de fenol: Esto quiere decir que los tomos de carbono, hidrgeno y oxgeno que constituyen el fenol, estn unidos entre s de una manera muy selectiva. Al subir la temperatura por encima de 43C, los tomos que forman cada una de las entidades de fenol, siguen unidos, aunque las entidades completas de fenol se separen. A esto se le llama interacciones de direccionalidad selectiva, y en este caso las entidades reciben el nombre de molculas. Ahora bien, en los compuestos que son lquidos o gases a temperatura ambiente, las interacciones tambin son de direccin selectiva. Estn constituidos asimismo por molculas, pero la interaccin entre una molcula y las otras es ms dbil an que en los slidos de punto de fusin bajo. Si una sustancia es un gas, un lquido o un slido con baja temperatura de fusin, ser razonable suponer que est formado por molculas.Con el anlisis del estado de agregacin de los compuestos y de su facilidad relativa para cambiar de estado, podemos tener idea de si en el material hay presentes enlaces de direccin selectiva o enlaces multi direccionales. Vemos entonces que los estados de agregacin permiten acercarnos a una interpretacin del enlace presente en las sustancias. Analicemos una segunda propiedad.

Tabla 3. Conductividad de slidos disueltos en agua. Compuestos conductores al estar Compuestos no conductores al disueltos en agua estar disueltos en agua

cloruro de sodio (NaCl)

fenol (C 6 H 5 OH) glucosa (C 6 H 12 O 6 )

Tabla 4. Conductividad de slidos fundidos. Slidos fundidos conductores Slidos fundidos no conductores diamante [C(diamante)] azufre (S 8 ) fenol (C 6 H 5 OH) glucosa (C 6 H 12 O 6 ) cloruro de sodio (NaCl) hidroxiapatita, [Ca 5 (PO 4 ) 3 OH]

El paso de la corriente elctrica en estos materiales puede explicarse por la existencia de especies mviles, que transportan carga a travs del material en el estado lquido o cuando estn disueltas. Estas especies portadoras de cargas positivas y negativas, llamadas iones, se atraen fuertemente entre s, lo que hace que en el estado slido se mantengan firmemente unidas, empaquetadas con una alternancia de cargas opuestas, como en el NaCl (un arreglo de iones positivos de Na+ y de iones negativos Cl- enlazados en todas direcciones). Al estar agrupados en el slido, estos iones no tienen movilidad y no pueden transportar carga a travs del material, pero ello cambia al estar fundido o disuelto. As, podemos decir que en el cloruro de sodio y la hidroxiapatita, sea fundidos o disueltos, desaparecen las interacciones multidireccionales. Las entidades cargadas quedan separadas y libres para moverse, lo cual permite el paso de la corriente elctrica. Este es el punto de partida para el modelo del enlace inico, con el que es posible explicar la conductividad elctrica, al interpretarla mediante la desaparicin de las interacciones multidireccionales que existen entre los iones que forman los llamados slidos inicos. Los slidos inicos estn constituidos por entidades cargadas o iones, los que se mantienen unidos multidireccionalmente. Entre las otras sustancias de las Tablas 1 y 2, existen algunos que no conducen la electricidad en ninguna de las condiciones, como el diamante, el azufre, el fenol y la glucosa. Lo que parece ocurrir es que al separarse unas entidades (molculas) de sus vecinas, ya sea porque se funde el material o porque se disuelve, no queda libre ninguna especie cargada y, por lo tanto, no se presenta la conductividad elctrica. Surge entonces la necesidad del modelo de enlace covalente, que explique las interacciones que gobiernan este tipo de materiales, conocidos como compuestos covalentes. slidos.

1.1.1 SUSTANCIAS PURAS Las sustancias puras estn formadas por uno o varios componentes y que presentan un aspecto homogneo. Si solo existe un componente, de manera exclusiva. Son los llamados elementos qumicos (carbono, oro, nitrgeno, calcio, azufre, etc.) y si en cambio existen varios componentes, son los llamados compuestos qumicos. Por ejemplo, el agua es una sustancia pura, no obstante est formada por dos elementos: hidrgeno y oxgeno. En cambio, el diamante est compuesto exclusivamente de un elemento: carbono. EL COMPORTAMIENTO DE LAS SUSTANCIAS PURAS Como se expreso anteriormente en la definicin de sustancia, el concepto de sustancia pura se limita nicamente a las sustancias con una composicin qumica fija invariable y homognea, aunque se presenten procesos con cambios de estado y/o de fase. As como el aire, las mezclas de gases conformadas tambin se consideran sustancias puras . El aire al estar sometido a cambios de estado absorbe o cede humedad del entorno, a pesar de ello y de forma frecuente es considerado una sustancia pura por constituirse de una mezcla inerte de N2, O2 y otras molculas que no se ven alteradas por la humedad. En este capitulo se desarrollan los aspectos tcnicos para la determinacin y el calculo de todas las propiedades de estado para sustancias puras en las que se pueden despreciar los efectos producidos al manipularlas (efectos de superficie, magnticos y elctricos) tambin llamadas sustancias compresibles simples. Las propiedades de las sustancias puras y la independencia termodinmica: Como resumen del postulado de estado, para determinar cualquier estado de una sustancia pura son necesarias y suficientes dos propiedades intensivas termodinmicamente independientes. Esta afirmacin plantea la necesidad de un mtodo para determinar la independencia termodinmica

Esta independencia termodinmica de las propiedades puede establecerse para una zona (regiones con una fase o con coexistencia de fases) o para un estado, al identificar la relacion existente entre tres propiedades conocidas en dicha sustancia. Utilizando esta tcnica se puede identificar con que par de propiedades de una sustancia es posible determinar las dems. Modelos de comportamiento de las sustancias puras: Para una sustancia pura, cuando se tienen dos propiedades de estado que sean termodinmicamente independientes, se puede iniciar con la obtencin de las dems propiedades, utilizando los llamados modelos de comportamiento. Las sustancias puras, en la practica de la termodinmica, se clasifican como gases o vapores, aunque siendo estrictos, cualquier sustancia puede llegar a comportarse como un vapor o como un gas. Esta clasificacin fue establecida con base en la observacin de las diferentes sustancias en el ambiente natural o en los rangos de aplicacin normal de la ingeniera, con el objetivo de facilitar la prediccin de su comportamiento. Los gases reciben su nombre de la fase gaseosa, caracterizada por una amplia separacin y una baja cohesin de sus tomos o molculas, pero se catalogan como aquellas sustancias que mantienen aquellas caractersticas de forma indefinida, es decir que no presentan cambios de fase al suministrarles o extraerles grandes cantidades de energa. Los vapores tienen caractersticas muy parecidas a las de los gases pero no estan en capacidad de mantenerlas de forma indefinida, es decir presentan cambios de fase con moderados suministros o extracciones de energa. Esta agrupacin plantea un tratamiento diferente para los gases y los vapores, y genera modelos separados de comportamiento que se describen a continuacin. ELEMENTOS Y COMPUESTOS Un elemento es una sustancia qumica que no puede descomponerse en otra ms simple que mantenga todas sus propiedades. Los elementos se identifican mediante un nombre derivado de sus propiedades (cloro significa verdoso; bario, pesado), dado en la antigedad (cobre, hierro, plomo), en recuerdo de un pas o ciudad (polonio, germanio, lutecio), de un cientfico (einstenio, curio, fermio, mendelevio, nobelio, curio...), o de tipo mitolgico (prometi, titanio). Antiguamente los alquimistas utilizaban smbolos complejos para representarlos. John Dalton propuso en 1803 en su teora atmica un nuevo tipo de smbolos. Los smbolos actuales se basan en la propuesta efectuada en 1815 por el qumico sueco Jns Jakob Berzelius. Constan de una o dos letras derivadas de su nombre latino o griego.

Aluminio. Fue aislado por primera vez en 1827 por Whler, y Bunsen fue el primero que lo obtuvo artificialmente, por mtodos electrolticos, en 1854. Argn.:Fue descubierto en 1894 por sir W. Ramsay y lord Rayleigh al observar que el nitrgeno preparado a partir del amonaco era ms ligero que el obtenido del aire por eliminacin del oxgeno, del dixido de carbono y del vapor de agua presentes. Azufre: Era conocido desde la antigedad aunque fue Lavoisier quien, en 1777, le asign por primera vez el carcter de elemento. Calcio: Fue aislado por primera vez por el qumico britnico sir Humphry Davy, quien 1808 lo obtuvo mediante electrlisis.Hidrgeno:(gr:

hdro, agua, y genno, producir) Aunque era conocido desde antiguo por los alquimistas, que lo obtenan en las reacciones de ciertos metales con cidos, e incluso citado por Robert Boyle, que los llamaba "aire combustible", fue realmente descubierto e identificado en 1766 por Henry Cavendish. Oxgeno: Fue descubierto por el farmacutico sueco Carl Wilhelm Scheele (1742 1786), si bien su nombre se atribuye al qumico francs Lavoiser (1743 - 1794). Wolframio:(Tambin se le denomina tungsteno). Fue descubierto por los hermanos espaoles Juan Jos y Fausto Elhuyar en 1783. Amonaco: NH 3 Fue sintetizado por primera vez en 1773 por Joseph Priestley mediante calentamiento de cloruro amnico e hidrxido clcico. La sntesis industrial del amonaco se lleva a cabo mediante diferentes procesos, entre los que destacan el de Haber, ideado por el alemn Fritz Haber en 1913. Acetileno:(etino) CH CH (la t. acetum, vinagre) Berthelot lo prepar por primera vez en 1860 haciendo reaccionar carbono y gas hidrgeno a altas temperaturas. Benceno C 6 H 6 Fue descubierto por Michael Faraday en 1825 y aislado del alquitrn de hulla por A. Hoffmann en 1845. Fue el cientfico alemn A.F.Kekul quien en 1865 propuso una explicacin para la estructura de esta molcula. En el laboratorio puede prepararse por polimerizacin del acetileno en presencia Punto de fusin El punto de fusin de un elemento o compuesto es la temperatura a la cual la forma slida del elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma lquida. Normalmente se asume que la presin del aire es de 1 atmsfera. Por ejemplo: el punto de fusin del agua es de 0oC, o 273 K.

Punto de ebullicin El punto de ebullicin de un elemento o compuesto significa la temperatura a la cualla forma lquida de un elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma gaseosa. Normalmente se asume que la presin del aire es de 1 atmsfera. Por ejemplo: el punto de ebullicin del agua es de 100oC, o 373 K. En el punto de ebullicin la presin de un elemento o compuesto es de 1 atmsfera. 1.1.2 MEZCLAS INTRODUCCIN: En el mundo natural, la materia usualmente se encuentra en forma de mezclas; casi todos los gases, lquidos y slidos de los cuales esta formado el mundo son mezclas de dos o ms sustancias juntas, mezcladas de forma fsica y no qumicamente combinadas. Existen dos tipos de mezclas, las sintticas como el vidrio o el jabn , que contienen pocos componentes y las naturales como el agua de mar o el suelo que son complejas ya que contienen ms de 50 sustancias diferentes. Las mezclas vivientes son ms complejas an, la mezcla ms maravillosa es la clula, una bacteria sencilla contiene ms de 5000 compuestos diferentes, todos en armona formando un sistema altamente organizado que sostiene a la vida. Las mezclas pueden presentarse de forma tal que cada uno de sus fases sea observable ya sea a nivel macro o micro, o bien que los componentes se intercalen entre s a nivel molecular y por lo tanto no son observables con ningn instrumento, a esta mezcla se le conoce como solucin; aunque usualmente se considera que las soluciones son lquidos, pueden existir en los tres estados fsicos, un ejemplo es el aire, otro la saliva y otro ms la cera. Las soluciones en agua, llamadas soluciones acuosas, son particularmente importantes en qumica y comprenden en biologa la mayor parte del ambiente de todos los organismos vivos. EL ESTADO SLIDO

1.1.3 CARACTERSTICAS DE LOS SLIDOS CRISTALINOS En el estado slido, las molculas, tomos o iones que componen la sustancia considerada estn unidas entre s por fuerzas relativamente intensas, formando un todo compacto. La mayor proximidad entre sus partculas constituyentes es una caracterstica de los slidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando lugar a una red cristalina. En ella las partculas ocupan posiciones definidas y sus movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vrtices de la red en donde se hallan situadas. Por esta razn las sustancias slidas poseen forma y volumen propios. La mayor parte de los slidos presentes en la naturaleza son cristalinos aun cuando en ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geomtrico regular apreciable a simple vista. Ello es debido a que con frecuencia estn formados por un conjunto de pequeos cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Los componentes elementales de una red cristalina pueden ser tomos, molculas o iones, de ah que no se pueda hablar en general de la

molcula de un cristal, sino ms bien de un retculo elemental o celdilla unidad, que se repite una y otra vez en una estructura peridica o red cristalina. Las propiedades fsicas de los slidos, tales como temperatura de fusin, capacidad para conducir la corriente, resistencia a la deformacin, dureza, etc., dependen de las caractersticas de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales. As, los slidos inicos, como las sales, son duros y a la vez frgiles, con puntos de fusin altos. Aunque son malos conductores de la electricidad sus disoluciones, sin embargo, presentan una conductividad elevada. Los slidos formados por molculas apolares, como el Cl2, el H2 o el CO2, son blandos como corresponde a la debilidad de las fuerzas de interaccin entre ellas (fuerzas de Van der Waals). Presentan un punto de fusin bajo lo que indica que slo a bajas temperaturas, las dbiles fuerzas ordenadores del enlace pueden predominar sobre el efecto disgregador del calor. Su conductividad elctrica es extremadamente baja como corresponde a la ausencia de cargas libres.Los slidos formados por molculas polares, como el agua, presentan caractersticas intermedias entre ambos tipos de slidos, los inicos y los apolares. Las caractersticas del enlace metlico con un gas de electrones externos compartidos hace que los slidos metlicos sean buenos conductores de la electricidad y del calor, y dctiles y maleables, aunque con elevados puntos de fusin. Un tipo de slido de propiedades extremas lo constituyen los slidos covalentes; estn formados por una red tridimensional de enlaces atmicos fuertes que dan lugar a propiedades tales como elevados puntos de fusin, escasa conductividad y extraordinaria dureza. El diamante, que es carbono puro cristalizado, constituye un ejemplo de este tipo de slidos. TEORA DE BANDAS EN LOS SLIDOS Todos los slidos cristalinos presentan una estructura peridica, por lo que un electrn genrico que se viese sometido a la influencia de la red cristalina poseera una energa potencial que variara tambin de una forma peridica en las tres direcciones del espacio. Esta situacin se traduce, de acuerdo con la mecnica cuntica, en que cada uno de los niveles de energa que correspondera a un tomo aislado se desdobla tanto ms cuanto mayor es el nmero N de tomos constitutivos de la red, dando lugar a una serie de niveles prcticamente contiguos que en conjunto constituyen una banda de energa. El nmero mximo de electrones que pueden ocupar una banda determinada viene limitado por el principio de exclusin de Pauli que indica que en cada nivel atmico se pueden acomodar, a lo ms, dos electrones y siempre que sus espines respectivos sean opuestos; por tal motivo en una cualquiera de las bandas correspondientes a una red cristalina formada por N tomos iguales, podrn acomodarse como mximo 2N electrones. Las bandas de energa en un slido cristalino desempean el mismo papel que los niveles electrnicos de un tomo aislado e incluso se representan de la misma manera mediante las letras s, p, d, f, etc.; por tanto, la energa de un electrn en un slido slo puede tomar valores comprendidos en alguna de las mltiples bandas de energa del slido. En algunos tipos de slidos las bandas pueden solaparse y en otros, sin embargo, los correspondientes diagramas de energa aparecen separados por espacios intermedios que representan valores de la energa que no pueden poseer los electrones; por ello se les denomina bandas prohibidas. La

teora de bandas permite explicar con una excelente aproximacin el fenmeno de la conduccin elctrica en los slidos. En algunos slidos, la ltima banda no est ocupada completamente, lo que permite a los electrones de esa banda ganar energa por la accin de un campo elctrico externo y desplazarse por la red. La mayor parte de los metales presentan, no obstante, bandas superiores incompletas que se superponen entre s permitiendo, asimismo, la movilidad de los electrones que son excitados por un campo elctrico. Este movimiento de cargas en el seno de la red cristalina constituye una corriente elctrica. Una gran mayora tanto de slidos inicos como de covalentes, son malos conductores de la electricidad (aisladores). En ellos la banda ms alta conteniendo electrones (banda de valencia) est completamente llena Ello supone, de acuerdo con el principio de exclusin de Pauli, que los electrones no pueden ganar energa y saltar de un nivel a otro dentro de la banda, lo que equivale a restringir su movilidad al entorno de su ncleo atmico. Adems la siguiente banda vaca (banda de conduccin) est lo suficientemente separada de aqulla como para que la banda prohibida no pueda ser salvada por la accin de un campo elctrico ordinario. Tal circunstancia explica su reducida conductividad elctrica. Existen algunos slidos como el silicio y el germanio que tienen una estructura de bandas semejante a la de los aisladores. Sin embargo, en ellos la banda prohibida que separa la de valencia, completamente llena, y la de conduccin, completamente vaca, es estrecha, de modo que es posible excitar los electrones ms altos de la banda de valencia y transferidos a la de conduccin. En tal caso se puede hablar tanto de una conduccin por los electrones de la banda superior, como de conduccin por los huecos que se generan en la banda inferior y que se comportan como cargas positivas. Se trata de slidos semiconductores. El hecho de que su banda prohibida sea estrecha permite bombear electrones a la banda de conduccin sin ms que elevar suficientemente la temperatura Los semiconductores constituyen los materiales slidos clave en la fabricacin de dispositivos electrnicos. Sus propiedades, mejoradas y aprovechadas gracias a la investigacin bsica y aplicada, no slo han constituido un elemento clave en el desarrollo de la informtica, la instrumentacin cientfica de alto nivel y las telecomunicaciones, sino tambin en el diseo de aparatos electrodomsticos y de uso habitual. observa en los lquidos. El vidrio, entre otros materiales que tienen propiedades similares, es lo que se conoce como un slido amorfo. Pero podra uno preguntarse si hay otras maneras de percibir estas diferencias a travs de mediciones que se llevan a cabo en el laboratorio. Y la respuesta es s. Adems, son stas las mediciones no slo ms comunes, sino tambin las que arrojan informacin mucho ms cuantitativa. Entre ellas, una de las ms socorridas es la que examina el comportamiento de la propiedad conocida como calor especfico de una sustancia cuando se vara la temperatura. Como es bien sabido, el calor especfico es aquella propiedad de todo

sistema que mide su inercia trmica. As como la masa de un cuerpo es la medida de la resistencia que opone dicho cuerpo a que su estado de reposo o movimiento se altere debido a la accin de una fuerza externa, el calor especfico es la resistencia que presenta una unidad de masa de un cuerpo cualquiera a que su temperatura se vea afectada cuando le suministramos energa. En esta forma, cuando leemos que una sustancia como el agua tiene un calor especfico de una calora por gramo y grado centgrado, lo que estamos diciendo es que por cada gramo de agua tenemos que suministrar una calora de energa para elevar su temperatura un grado centgrado. En general, el calor especfico de la mayora de las sustancias con excepcin de los gases monoatmicos helio, nen, etc., es una funcin de la temperatura, esto es, la inercia trmica depende de la temperatura del cuerpo y en algunos casos hasta de su densidad. Por otra parte, la teora cintica de la materia permite establecer una correlacin entre el calor especfico de un material con las caractersticas ms sobresalientes de su estructura atmica o molecular, segn sea el caso. El conocimiento experimental de esta propiedad es, pues, una forma directa de corroborar las hiptesis en que se basan los modelos microscpicos. Cuando se estudian los modelos microscpicos de los slidos cristalinos se puede pensar en las vibraciones de los iones pesados alrededor de sus posiciones de equilibrio como si fueran resortes y tambin el movimiento de los electrones libres a travs de la red cristalina. Estos fenmenos constituyen las dos grandes contribuciones microscpicas al calor especfico del slido. Los clculos tericos que surgen de este modelo concuerdan satisfactoriamente con el experimento. Si comparamos entonces el comportamiento del calor especfico de un slido cristalino con el de un lquido sobre enfriado en su fase vtrea o amorfa, podemos averiguar mucho sobre la estructura del segundo. Estas mediciones se han llevado a cabo por aos en varios laboratorios del mundo, corroborando unos los resultados de otros y el comportamiento general se muestra, para el caso del glicerol, en la figura 33. La curva inferior representa el calor especfico de la glicerina cristalizada.

Figura 33. Los calores especficos del glicerol cristalino y el sobre enfriado. Conocido el calor especfico de una sustancia como funcin de la temperatura, resulta relativamente fcil obtener, de acuerdo con las leyes de la termosttica, la propiedad llamada entropa. Resulta que esta funcin, como se ha explicado en otro volumen de esta serie, es una medida de la falta de organizacin de un sistema dado

a nivel molecular. Siendo los slidos cristalinos los sistemas ms organizados, su entropa es menor que la del lquido correspondiente, la cual a su vez es menor que la del gas. De esta manera, si usamos la pequea diferencia que existe entre los dos calores especficos, del slido y del vidrio, para calcular sus respectivas entropas y las comparamos entre s, podemos saber si uno est ms o menos organizado que el otro. El resultado de este clculo es espectacular y se muestra en la figura 34.

Figura 34. La lnea slida representa la cantidad por la cual la entropa de la glicerina sobreenfriada excede la de la glicerina cristalizada, de acuerdo con los resultados de la figura 33 (1 unidad de entropa = 1 cal /mol K). En las ordenadas se ha graficado la entropa en exceso del vidrio con respecto al slido. Ntese que de ser sistemas igualmente organizados, este exceso sera igual a cero. En las abscisas se grafica la temperatura Debajo de 178 K el vidrio tiene una entropa en exceso respecto a la del cristal que es casi constante y aproximadamente igual a cinco unidades! As pues, concluimos que el vidrio tiene que ser un estado mucho ms desorganizado que el slido y esto concuerda, naturalmente, con los resultados obtenidos con las radiografas hechas por medio de rayos X. El vidrio, entonces, se asemeja ms a un lquido que a un slido. Estos resultados dan al lector una imagen de la conexin que buscamos entre la existencia de los vidrios y los lquidos sobreenfriados. Si tomamos como prototipo de estas sustancias a la glicerina, los resultados mostrados en las figuras nos dicen que los vidrios, en general, se forman a partir de toda una clase de sustancias que sean capaces de sobreenfriarse con relativa facilidad. Aunque el proceso no es tan simple como el aqu ejemplificado, porque las temperaturas son considerablemente mayores, los vidrios ordinarios tambin se forman al enfriar materiales inorgnicos (sales) a base de silicio (silicatos), de su fase lquida a la temperatura ambiente. Este mismo fenmeno fue descubierto hace apenas un par de dcadas en las aleaciones metlicas. stas consisten generalmente de un metal noble o de transicin y un metaloide (boro, carbono, silicio, fsforo, etc.). Los vidrios metlicos, llegan a tener propiedades sorprendentes. Por ejemplo, al contrario de los vidrios ordinarios, son buenos conductores elctricos; tambin son maleables. Sus aplicaciones tecnolgicas han sido considerables.

1.1.4 Cambios de Estado En nuestro medio ambiente y bajo ciertas condiciones, las substancias se presentan en uno de los estados de agregacin antes mencionados, pero pueden cambiar de un estado a otro si las condiciones cambian. Estas condiciones son presin y temperatura. SON: Fusin: cambio que sufren las substancias al pasar del estado slido al liquido al incrementar el calor: ejemplo fundicin de hacer para hacer laminas tubos; hielo, etc. Evaporacin: Cambio que se experimenta cuando un liquido pasa al estado de vapor o gas por incremento de calor. Ejemplo: eliminacin de agua en una meladura para obtener azcar, eliminacin de un solvente orgnico para obtener un slido cristalino, etc. Sublimacin: Es el paso del estado slido al gaseoso o al de vapor sin pasar por el estado liquido, necesitndose calor. Ejemplo yodo, alcanfor, bixido de carbono, hielo seco, etc. Nota: El cambio contrario, de gas o vapor slido, tambin se llama sublimacin o degradacin. Solidificacin: Este cambio requiere eliminar calor y ocurre cuando un liquido pasa al estado slido. Ejemplo, una vez moldeado un plstico, fundida una pieza de acero o de alguna aleacin, etc. Condensacin: Es el paso del estado de vapor al estado liquido. Este cambio tambin supone la eliminacin del calor. Ejemplo, lluvia, al eliminar el agua de una meladura o el solvente de una solucin, etc. Licuefaccin: Es el paso del estado gaseoso al estado liquido. Adems de eliminar calor debe aumentarse la presin para conseguir el cambio. Ejemplo, gas, extintores, tanques de oxigeno, etc. Nota: la diferencia entre un vapor y un gas es que el vapor condensa y el gas licua. 1.1.5 Clasificacin de las sustancias naturales por semejanzas en: propiedades fsicas y propiedades qumicas.

Alas modificaciones o cambios que experimentan las substancias bajo la accin de las diferentes formas de la energa, se les llama fenmenos. De esta manera, todo cambio que se produce en las substancias de manera natural o provocada es un fenmeno. Fenmenos Fsicos: Son las modificaciones o cambios que no alteran la composicin intima de la sustancia o que lo hacen solo de un modo aparente y transitorio.

Ejemplo: Formacin de arcoiris, fusin de la cera, disolucin de la azcar, etc. Fenmenos Qumicos: Cambio experimentado modifica permanentemente la naturaleza intima de la sustancia y no es reversible, el fenmeno es de tipo qumico. Ejemplo: Bomba atmica, revelado de la fotografa, accin de medicamentos, etc. Elementos, compuestos y mezclas Las substancias son los materiales con los que trabaja el qumico y pueden ser puras o no. Las substancias puras se clasifican en elementos y compuestos: Elementos: son substancias simples que no pueden descomponerse por mtodos qumicos ordinarios en algo ms sencillo. Actualmente se conocen 109 elementos diferentes, 92 de los cuales son naturales y el resto son artificiales. Los elementos se representan por smbolos y estn ordenados por un nmero y por sus propiedades en un arreglo llamado tabla peridica. Compuestos: So substancias que resultan de la unin qumica de dos o mas elementos en proporciones definidas, se combinan de tal manera que ya no es posible identificarlos por sus propiedades originales e individuales y solo una accin qumica los puede separar. Los compuestas se representan por formulas y la mnima unidad material que puede existir representando las caractersticas del compuesto, es molcula. Ejemplo, (H 2 O) Agua, C 12 H 22 O 11 ) Azcar, (NH 3 ) Amonaco, etc. Mezclas: Son el resultado de la unin fsica de dos o mas substancias (elementos compuestos) que al hacerlo conservan sus propiedades individuales. La composicin de las mezclas es variable y sus componentes siempre podrn separarse por medios fsicos o mecnicos. Ejemplo, cemento, tierra, plvora, madera, acero, etc.

Mtodos de Separacin de Mezclas Para la separacin de mezclas los mtodos mas comunes son: Decantacin: Mtodo utilizado para separar un slido, de grano grueso e insoluble, de un liquido. Ejemplo, petrleo, agua de mar, etc. Filtracin: Permite separar un slido insoluble (de grano relativamente fino) de un liquido. Ejemplo, Caf de olla, papel de filtro, fibra de asbesto, algodn, fibra de vidrio, etc. Centrifugacin: Utilizado para separar un slido (insoluble de grano muy fino y de difcil sedimentacin) de un liquido. Ejemplo, los slidos y el plasma de la sangre. Destilacin: Permite separar mezclas de lquidos miscibles, aprovechando sus diferentes puntos de ebullicin. Existen diferentes tipos de destilacin, entre ellos los mas comunes, son: destilacin simple, destilacin fraccionada, destilacin por arrastre de vapor, destilacin a vaci, etc. Ejemplo, por destilacin fraccionada y en grandes torres se efecta la separacin de los hidrocarburos del petrleo, etc.

Cristalizacin: Provoca la separacin de un slido que se encuentra disuelto en una solucin; finalmente el slido queda como cristal y el proceso involucra cambios de temperatura, agitacin, eliminacin de solvente, etc.

Evaporacin: Es la operacin por la cual se separa un slido disuelto en un liquido y por incremento de temperatura hasta que el liquido hierve o ebulle y pasa al estado de vapor, quedando slido como residuo en forma de polvo seco. Sublimacin: Mtodo utilizado en la separacin de slidos, aprovechando que alguno de ellos es sublime, pasando por el estado slido al gaseoso por incremento de la temperatura. Imantacin: Se aprovecha la propiedad de algn material para ser atrado por un campo magntico. Ejemplo, materiales ferrosos, etc. Diferencia de solubilidad: permite separar los slidos de los lquidos o lquidos de lquidos al contacto con un solvente que selecciona uno de los componentes de la mezcla, ejemplo, preparacin y anlisis de productos farmacuticos. Cromatotografa: Consiste en separar las mezclas de gases o de lquidos por el paso de estas a travs de un medio poroso y adecuado y ayuda de solventes. Ejemplo, aire, productos extrados de las plantas, animales, etc.

1.1.6 Base experimental de la teora cuntica y estructura atmica.

Los filsofos griegos Democrito y Leucip en el siglo V a C., fueron los primeros en introducir la palabra tomo que se refera a una porcin de la materia y que era indivisible todas las cosas se componan de tomo.Esta idea prevaleci hasta fines del siglo XVIII en que Jonh Dalton, de Inglaterra, propuso la primera teora atmica, realmente til en su tiempo. Su teora propona que los tomos eran partculas indestructibles muy pequeas y de forma esfrica, slidas y de peso fijo. Mas adelante, experimentos con tubos de descarga demostraron que la materia es de naturaleza elctrica y por primera vez se sospechaba la divisibilidad de la materia. Ha fines del siglo XIX, Thomsn sugiri un modelo atmico semejante a una gelatina con pasas. El tomo era una esfera electrificacin positiva en la que se encontraban los electrones incrustados. Los electrones eran las primeras partculas constituyentes del tomo y su carga elctrica era negativa. En Francia de 1898, Becquerel y los Curie descubrieron el fenmeno de la radiactividad, que consista en la emisin espontnea de radiaciones y partculas (alfa, beta y gamma) por parte de un tomo. Este fenmeno aport ideas sobre la divisibilidad del tomo. En 1911, el ingls Rutherford propuso otro modelo atmico como resultado de sus experimentos al bombardear laminas de oro y platino con partculas alfa. Se descubri el ncleo del tomo y se propuso que en su mayor parte, el tomo era espacio vaci. La masa y la carga positiva del tomo estaban concentradas en un ncleo y los electrones giraban

a manera de satlites, describiendo diferentes trayectorias. Las dimensiones de este tomo eran 10-12cm para el dimetro del ncleo y 10-8 cm (1 angstrom A) para la extensin del tomo. 1.1.8 Teoria Atomica de Niels Bohr. Niels Bohr, fsico dans, modifico en 1913 el modelo de Rutherford y propuso un tomo quntico, tomando como base el espectro de emisin del tomo de hidrogeno. Las teoras sobre el comportamiento dual de la luz y las ideas de Max Plack. Entre los postulados de su modelo atmico estableci que los electrones se mueven en niveles estacionarios de energa. Este modelo tuvo limitaciones, ya que solo se aplicaba a los tomos con un solo electrn externo, como el del hidrogeno. El modelo atmico de Born recibi aportaciones con las ideas de Sommerfeld y posteriormente se desarrollo un modelo matemtico que prevalece en nuestros das y que explica el comportamiento de la materia. El estudio del tomo y su estructura ha pasado por varias etapas pero la concepcin actual es aun: tomo: Es la partcula mas pequea de un elemento y retiene la composicin y propiedades del mismo.

1.1.9. Principio de Dualidad: En una manera anloga a la naturaleza dualstica de la luz (propiedades de onda y partcula que se mueve y tiene asociado un movimiento ondulatorio. Louis Broglie estableci una relacin entre la velocidad y la longitud de onda de la partcula mediante la siguiente expresin matemtica. = h = h mv p

Principio de Incertidumbre Werner Heisenberg, como una consecuencia electrn.

de la dualidad dela naturaleza del

Principio de edificacin progresiva o regla de Afbau Cada nuevo electrn aadido un tomo entrar en la orbital disponible de mnima energa. La separacin de energa en los subniveles de los tomos poli electrnicos origina que se superpongan otras traslapen, en valor de energa, orbtales con diferentes valores de n. Principio de Exclusin de Pauli En un orbital pueden haber hasta 12 electrones de spin opuesto. Esto significa que no es posible la existencia de dos electrones en el mismo tomo que tengan sus cuatro nmeros cunticos iguales.

1.1.10 Principio de mxima multiplicidad o regla de Hund Dentro de un subnivel, los primeros electrones ocupan orbitales separados y tienen spines paralelos. En otras palabras, los electrones entran de 1 en 1 en los orbitales que contienen la misma energia, cuando estos orbitales se completan con un electrn, entonces cada uno de ellos se satura con doce electrones en el mismo orden. Aplicando estas sencillas reglas es posible iniciar las configuraciones electrnicas. Para el desarrollo de la configuracin electronica de ur. tomo, se anota el nivel (1,2,3,4,5,6 o 7) el tipo de subnivel (s, p, d f) y como supra-indice el numero de electrones que cada subnivel contenga.

EjemploN1 H=

1s

1 S

TOMO

N

tomo (Del latn atomum, y ste del griego , indivisible) es la menor cantidad de un elemento qumico que tiene existencia propia, y que no es posible dividir mediante procesos qumicos. El concepto de tomo fue ya propuesto por filsofos griegos como Demcrito y los Epicreos. Sin embargo fue olvidado hasta que el qumico ingls John Dalton revis la idea en su teora atmica. En el siglo XIX, gracias a los trabajos de Avogadro, se comenz a distinguir entre tomos y molculas. La visin moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta el experimento de Rutherford en 1911 y el modelo atmico de Bohr. Posteriores descubrimientos cientficos, como la teora cuntica, y avances tecnolgicos, como el microscopio electrnico, han permitido conocer con mayor detalle las propiedades fsicas y qumicas de los tomos.

tomo de Helio Aunque la mayor parte de un tomo es espacio vaco, los tomos estn compuestos de partculas ms pequeas. Por conveniencia se suele dividir en:

ncleo: en el centro, compuesta por los nucleones (protones y neutrones) corteza: la parte ms externa consistente en una nube de electrones

En el caso de tomos en estado neutro el nmero de electrones es idntico al de protones que es lo que caracteriza a cada elemento qumico. El nmero de protones de un determinado tomo se denomina numero atmico y determina su posicin en la tabla peridica de los elementos. Los tomos con el mismo nmero atmico, pero distinta masa atmica (por tener diferente nmero de neutrones) se denominan istopos. Teora de Dalton John Dalton, profesor y qumico britnico, estaba fascinado por el rompecabezas de los elementos. A principios del siglo XIX estudi la forma en que los diversos elementos se combinan entre s para formar compuestos qumicos. Aunque muchos otros cientficos, empezando por los antiguos griegos, haban afirmado ya que las unidades ms pequeas de una sustancia eran los tomos, se considera a Dalton como una de las figuras ms significativas de la teora atmica porque la convirti en algo cuantitativo. Dalton mostr que los tomos se unan entre s en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los tomos suelen formar grupos llamados molculas. Cada molcula de agua, por ejemplo, est formada por un nico tomo de oxgeno (O) y dos tomos de hidrgeno (H) unidos por una fuerza elctrica denominada enlace qumico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O. Vase Reaccin qumica. Todos los tomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades qumicas. Por tanto, desde un punto de vista qumico, el tomo es la entidad ms pequea que hay que considerar. Las propiedades qumicas de los elementos son muy distintas entre s; sus tomos se combinan de formas muy variadas para formar numerossimos compuestos qumicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argn, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxgeno, cuyas molculas son diatmicas (formadas por dos tomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatmicos, con un nico tomo por molcula. Ley de Avogadro El estudio de los gases atrajo la atencin del fsico italiano Amedeo Avogadro, que en 1811 formul una importante ley que lleva su nombre (vase ley de Avogadro). Esta ley afirma que dos volmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo nmero de molculas si sus condiciones de temperatura y presin son las mismas. Si se dan esas condiciones, dos botellas idnticas, una llena de oxgeno y otra de helio, contendrn exactamente el mismo nmero de molculas. Sin embargo, el nmero de tomos de oxgeno ser dos veces mayor puesto que el oxgeno es diatmico. Masa atmica De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrn de diferentes gases (es decir, sus densidades) son proporcionales a la masa de cada molcula individual de gas. Si se toma el carbono como patrn y se le asigna al tomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa atmica (u), resulta que el

hidrgeno tiene una masa atmica de 1,0079u, el helio de 4,0026, el flor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. En ocasiones se habla de "peso atmico" aunque lo correcto es "masa atmica". La masa es una propiedad del cuerpo, mientras que el peso es la fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad. La observacin de que muchas masas atmicas se aproximan a nmeros enteros llev al qumico britnico William Prout a sugerir, en 1816, que todos los elementos podran estar compuestos por tomos de hidrgeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atmicas demostraron que el cloro, por ejemplo, tiene una masa atmica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El descubrimiento de estas masas atmicas fraccionarias pareci invalidar la hiptesis de Prout hasta un siglo despus, cuando se descubri que generalmente los tomos de un elemento dado no tienen todos la misma masa. Los tomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como istopos. En el caso del cloro, existen dos istopos en la naturaleza. Los tomos de uno de ellos (cloro 35) tienen una masa atmica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen una masa atmica prxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporcin explica la masa atmica observada en el cloro. Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxgeno natural como patrn para expresar las masas atmicas, asignndole una masa atmica entera de 16. A principios de la dcada de 1960, las asociaciones internacionales de qumica y fsica acordaron un nuevo patrn y asignaron una masa atmica exactamente igual a 12 a un istopo de carbono abundante, el carbono 12. Este nuevo patrn es especialmente apropiado porque el carbono 12 se emplea con frecuencia como patrn de referencia para calcular masas atmicas mediante el espectrmetro de masas. Adems, la tabla de masas atmicas basada en el carbono 12 se aproxima bastante a la tabla antigua basada en el oxgeno natural. 1.2.1 La tabla peridica A mediados del siglo XIX, varios qumicos se dieron cuenta de que las similitudes en las propiedades qumicas de diferentes elementos suponan una regularidad que poda ilustrarse ordenando los elementos de forma tabular o peridica. El qumico ruso Dmitri Mendeliev propuso una tabla de elementos llamada tabla peridica, en la que los elementos estn ordenados en filas y columnas de forma que los elementos con propiedades qumicas similares queden agrupados. Segn este orden, a cada elemento se le asigna un nmero (nmero atmico) de acuerdo con su posicin en la tabla, que va desde el 1 para el hidrgeno hasta el 92 para el uranio, que tiene el tomo ms pesado de todos los elementos que existen de forma natural en nuestro planeta. Como en la poca de Mendeliev no se conocan todos los elementos, se dejaron espacios en blanco en la tabla peridica correspondientes a elementos que faltaban. Las posteriores investigaciones, facilitadas por el orden que los elementos conocidos ocupaban en la tabla, llevaron al descubrimiento de los elementos restantes. Los elementos con mayor nmero atmico tienen masas atmicas mayores, y la masa atmica de cada istopo se aproxima a un nmero entero, de acuerdo con la hiptesis de Prout.

El tamao del tomo La curiosidad acerca del tamao y masa del tomo atrajo a cientos de cientficos durante un largo periodo en el que la falta de instrumentos y tcnicas apropiadas impidi lograr respuestas satisfactorias. Posteriormente se disearon numerosos experimentos ingeniosos para determinar el tamao y peso de los diferentes tomos. El tomo ms ligero, el de hidrgeno, tiene un dimetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 10-27 kg. (la fraccin de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un tomo es tan pequeo que una sola gota de agua contiene ms de mil trillones de tomos. Radiactividad Una serie de descubrimientos importantes realizados hacia finales del siglo XIX dej claro que el tomo no era una partcula slida de materia que no pudiera ser dividida en partes ms pequeas. En 1895, el cientfico alemn Wilhelm Conrad Roentgen anunci el descubrimiento de los rayos X, que pueden atravesar lminas finas de plomo. En 1897, el fsico ingls J. J. Thomson descubri el electrn, una partcula con una masa muy inferior al de cualquier tomo. Y, en 1896, el fsico francs Antoine Henri Becquerel comprob que determinadas sustancias, como las sales de uranio, generaban rayos penetrantes de origen misterioso. El matrimonio de cientficos franceses formado por Marie y Pierre Curie aport una contribucin adicional a la comprensin de esas sustancias "radiactivas" (vase radio). Como resultado de las investigaciones del fsico britnico Ernest Rutherford y sus coetneos, se demostr que el uranio y algunos otros elementos pesados, como el torio o el radio, emiten tres clases diferentes de radiacin, inicialmente denominadas rayos alfa (a), beta (b) y gamma (g). Las dos primeras, que segn se averigu estn formadas por partculas elctricamente cargadas, se denominan actualmente partculas alfa y beta. Posteriormente se comprob que las partculas alfa son ncleos de helio (ver ms abajo) y las partculas beta son electrones. Estaba claro que el tomo se compona de partes ms pequeas. Los rayos gamma fueron finalmente identificados como ondas electromagnticas, similares a los rayos X pero con menor longitud de onda (vase radiacin electromagntica). El tomo nuclear de Rutherford El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permiti a los fsicos profundizar en el tomo, que segn se vio consista principalmente en espacio vaco. En el centro de ese espacio se encuentra el ncleo, que slo mide, aproximadamente, una diezmilsima parte del dimetro del tomo. Rutherford dedujo que la masa del tomo est concentrada en su ncleo. Tambin postul que los electrones, de los que ya se saba que formaban parte del tomo, viajaban en rbitas alrededor del ncleo. El ncleo tiene una carga elctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a la carga del ncleo, por lo que el estado elctrico normal del tomo es neutro. El tomo de Bohr

Para explicar la estructura del tomo, el fsico dans Niels Bohr desarroll en 1913 una hiptesis conocida como teora atmica de Bohr (vase teora cuntica). Bohr supuso que los electrones estn dispuestos en capas definidas, o niveles cunticos, a una distancia considerable del ncleo. La disposicin de los electrones se denomina configuracin electrnica. El nmero de electrones es igual al nmero atmico del tomo: el hidrgeno tiene un nico electrn orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrnicas se superponen de forma regular hasta un mximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado nmero de electrones. La primera capa est completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un mximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningn tomo existente en la naturaleza tiene la sptima capa llena. Los "ltimos" electrones, los ms externos o los ltimos en aadirse a la estructura del tomo, determinan el comportamiento qumico del tomo. Todos los gases inertes o nobles (helio, nen, argn, criptn, xenn y radn) tienen llena su capa electrnica externa. No se combinan qumicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles ms pesados (criptn, xenn y radn) pueden formar compuestos qumicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio slo contienen un electrn. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfirindoles su electrn ms externo) para formar numerosos compuestos qumicos. De forma equivalente, a los elementos como el flor, el cloro o el bromo slo les falta un electrn para que su capa exterior est completa. Tambin se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen electrones. Las capas atmicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los primeros 18 elementos de la tabla peridica se aaden de forma regular, llenando cada capa al mximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrn ms externo comienza una nueva capa antes de que se llene por completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad, ya que los electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la repeticin regular de las propiedades qumicas de los tomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la tabla peridica. Resulta cmodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del ncleo como si fueran planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visin es mucho ms sencilla que la que se mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posicin de un electrn en el tomo sin perturbar su posicin. Esta incertidumbre se expresa atribuyendo al tomo una forma de nube en la que la posicin de un electrn se define segn la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del ncleo. Esta visin del tomo como "nube de probabilidad" ha sustituido al modelo de sistema solar. Lneas espectrales Uno de los grandes xitos de la fsica terica fue la explicacin de las lneas espectrales caractersticas de numerosos elementos (vase Espectroscopia: Lneas

espectrales). Los tomos excitados por energa suministrada por una fuente externa emiten luz de frecuencias bien definidas. Si, por ejemplo, se mantiene gas hidrgeno a baja presin en un tubo de vidrio y se hace pasar una corriente elctrica a travs de l, desprende luz visible de color rojizo. El examen cuidadoso de esa luz mediante un espectroscopio muestra un espectro de lneas, una serie de lneas de luz separadas por intervalos regulares. Cada lnea es la imagen de la ranura del espectroscopio que se forma en un color determinado. Cada lnea tiene una longitud de onda definida y una determinada energa asociada. La teora de Bohr permite a los fsicos calcular esas longitudes de onda de forma sencilla. Se supone que los electrones pueden moverse en rbitas estables dentro del tomo. Mientras un electrn permanece en una rbita a distancia constante del ncleo, el tomo no irradia energa. Cuando el tomo es excitado, el electrn salta a una rbita de mayor energa, a ms distancia del ncleo. Cuando vuelve a caer a una rbita ms cercana al ncleo, emite una cantidad discreta de energa que corresponde a luz de una determinada longitud de onda. El electrn puede volver a su rbita original en varios pasos intermedios, ocupando rbitas que no estn completamente llenas. Cada lnea observada representa una determinada transicin electrnica entre rbitas de mayor y menor energa. En muchos de los elementos ms pesados, cuando un tomo est tan excitado que resultan afectados los electrones internos cercanos al ncleo, se emite radiacin penetrante (rayos X). Estas transiciones electrnicas implican cantidades de energa muy grandes. El ncleo atmico En 1919, Rutherford expuso gas nitrgeno a una fuente radiactiva que emita partculas alfa. Algunas de estas partculas colisionaban con los ncleos de los tomos de nitrgeno. Como resultado de estas colisiones, los tomos de nitrgeno se transformaban en tomos de oxgeno. El ncleo de cada tomo transformado emita una partcula positivamente cargada. Se comprob que esas partculas eran idnticas a los ncleos de tomos de hidrgeno. Se las denomin protones. Las investigaciones posteriores demostraron que los protones forman parte de los ncleos de todos los elementos. No se conocieron ms datos sobre la estructura del ncleo hasta 1932, cuando el fsico britnico James Chadwick descubri en el ncleo otra partcula, el neutrn, que tiene casi exactamente la misma masa que el protn pero carece de carga elctrica. Entonces se vio que el ncleo est formado por protones y neutrones. En cualquier tomo dado, el nmero de protones es igual al nmero de electrones y, por tanto, al nmero atmico del tomo. Los istopos son tomos del mismo elemento (es decir, con el mismo nmero de protones) que tienen diferente nmero de neutrones. En el caso del cloro, uno de los istopos se identifica con el smbolo 35Cl, y su pariente ms pesado con 37Cl. Los superndices identifican la masa atmica del istopo, y son iguales al nmero total de neutrones y protones en el ncleo del tomo. A veces se da el nmero atmico como subndice, como por ejemplo }Cl.

Los ncleos menos estables son los que contienen un nmero impar de neutrones y un nmero impar de protones; todos menos cuatro de los istopos correspondientes a ncleos de este tipo son radiactivos. La presencia de un gran exceso de neutrones en relacin con los protones tambin reduce la estabilidad del ncleo; esto sucede con los ncleos de todos los istopos de los elementos situados por encima del bismuto en la tabla peridica, y todos ellos son radiactivos. La mayor parte de los ncleos estables conocidos contiene un nmero par de protones y un nmero par de neutrones. 1.2.2 HISTORIA DEL INICIO DE LA TABLA PERIDICA: Cronologa de las diferentes clasificaciones de los elementos qumicos Dbereiner Este qumico alcanz a elaborar un informe que mostraba una relacin entre la masa atmica de ciertos elementos y sus propiedades en 1817. l destaca la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tros que l denomina tradas. La trada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. Pone en evidencia que la masa de uno de los tres elementos de la triada es intermedia entre la de los otros dos. En 1850 pudimos contar con unas 20 tradas para llegar a una primera clasificacin coherente. Chancourtois y Newlands En 1862 Chancourtois, gelogo francs, pone en evidencia una cierta periodicidad entre los elementos de la tabla. En 1864 Chancourtois y Newlands, qumico ingls, anuncian la Ley de las octavas: las propiedades se repiten cada ocho elementos. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos ms all del Calcio. Esta clasificacin es por lo tanto insuficiente, pero la tabla peridica comienza a ser diseada. Meyer En 1869, Meyer, qumico alemn, pone en evidencia una cierta periodicidad en el volumen atmico. Los elementos similares tienen un volumen atmico similar en relacin con los otros elementos. Los metales alcalinos tienen por ejemplo un volumen atmico importante. Mendeleev En 1869, Mendeleev, qumico ruso, presenta una primera versin de su tabla peridica en 1869. Esta tabla fue la primera presentacin coherente de las semejanzas de los elementos. El se dio cuenta de que clasificando los elementos segn sus masas atmicas se vea aparecer una periodicidad en lo que concierne a ciertas propiedades de los elementos. La primera tabla contena 63 elementos.

Esta tabla fue diseada de manera que hiciera aparecer la periodicidad de los elementos. De esta manera los elementos son clasificados verticalmente. Las agrupaciones horizontales se suceden representando los elementos de la misma familia. Para poder aplicar la ley que l crea cierta, tuvo que dejar ciertos huecos vacos. l estaba convencido de que un da esos lugares vacos que correspondan a las

masas atmicas 45, 68, 70 y 180, no lo estaran ms, y los descubrimientos futuros confirmaron esta convincin. El consigui adems prever las propiedades qumicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos. Entre 1875 y 1886, estos tres elementos: galio, escandio y germanio, fueron descubiertos y ellos posean las propiedades predecidas. Sin embargo aunque la la clasificacin de Mendeleev marca un claro progreso, contiene ciertas anomalas debidas a errores de determinacin de masa atmica de la poca. TABLA PERIDICA MODERNA: La tabla de Mendeleev condujo a la tabla peridica actualmente utilizada.Un grupo de la tabla peridica es una columna vertical de la tabla. Hay 18 grupos en la tabla estndar. El hecho de que la mayora de estos grupos correspondan directamente a una serie qumicas no es fruto del azar. La tabla ha sido inventada para organizar las series qumicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribucin de los elementos en la tabla peridica proviene del hecho de que los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuracin electrnica en su capa ms externa. Como el comportamiento qumico est principalmente dictado por las interacciones de estos electrones de la ltima capa, de aqu el hecho de que los elementos de un mismo grupo tengan similares propiedades fsicas y qumicas. Ley de la tabla peridica Esta ley es la base de la tabla peridica y establece que las propiedades fsicas y qumicas de los elementos tienden a repetirse de forma sistemtica conforme aumenta el nmero atmico. 1.2.3 PEOPIEDADES ATOMICAS Y VARIACIONES PERIDICAS: Nmero atmico El nmero atmico indica el nmero de protones en la cortaza de un tomo. El nmero atmico es un concepto importante de la qumica y de la mecnica cuntica. El elemento y el lugar que ste ocupa en la tabla peridica derivan de este concepto. Cuando un tomo es generalmente elctricamente neutro, el nmero atmico ser igual al nmero de electrones del tomo que se pueden encontrar alrededor de la corteza. Estos electrones determinan principalmente el comportamiento qumico de un tomo. Los tomos que tienen carga elctrica se llaman iones. Los iones pueden tener un nmero de electrones ms grande (cargados negativamente) o ms pequeo (cargados positivamente) que el nmero atmico.

Masa atmica El nombre indica la masa atmica de un tomo, expresada en unidades de masa atmica (umas). Cada istopo de un elemento qumico puede variar en masa. La masa atmica de un istopo indica el nmero de neutrones que estn presentes en

la corteza de los tomos. La masa atmica indica el nmero partculas en la corteza de un tomo; esto quiere decir los protones y los neutrones. La masa atmica total de un elemento es una media ponderada de las unidades de masa de sus istopos. La abundancia relativa de los istopos en la naturaleza es un factor importante en la determinacin de la masa atmica total de un elemento. Electronegatividad de Pauling La electronegatividad mide la tendencia de un tomo para atraer la nube electrnica hacia s durante el enlace con otro tomo. La escala de Pauling es un mtodo ampliamente usado para ordenar los elementos qumicos de acuerdo con su electro negatividad. El premio Nobel Linus Pauling desarroll esta escala en 1932. Los valores de electronegatividad no estn calculados, ni basados en formulas matemticas ni medidas. Es ms que nada un rango pragmtico. Pauling le dio un valor de 4,0 al elemento con la electronegatividad ms alta posible, el flor. Al francio, el elemento con la electronegatividad ms baja posible, se le dio un valor de 0,7. A todos los elementos restantes se les dio un valor entre estos dos extremos Densidad La densidad de un elemento indica el nmero de unidades de masa del alemento que estn presentes en cierto volumen de un medio. Tradicionalmente la densidad se expresa a travs de la letra griega ro (escrita ). Dentro del sistema internacional de unidades (SI) la densidad se expresa en kilogramos por metro cbico (kg/m3). La densidad de un elemento se expresa normalmente de forma grfica con temperaturas y presiones del aire, porque ambas propiedades influyen en la densidad. Punto de fusin El punto de fusin de un elemento o compuesto es la temperatura a la cual la forma slida del elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma lquida. Normalmente se asume que la presin del aire es de 1 atmsfera. Por ejemplo: el punto de fusin del agua es de 0oC, o 273 K. Punto de ebullicin El punto de ebullicin de un elemento o compuesto significa la temperatura a la cualla forma lquida de un elemento o compuesto se encuentra en equilibrio con la forma gaseosa. Normalmente se asume que la presin del aire es de 1 atmsfera. Por ejemplo: el punto de ebullicin del agua es de 100oC, o 373 K. En el punto de ebullicin la presin de un elemento o compuesto es de 1 atmsfera

(b) (c) (d) Radio inico Es el radio que tiene un in en un cristal inico, donde los iones estn empaquetados juntos hasta el punto que sus orbitales atmicos ms externos estn en contacto unos con otros. Un orbital es el rea alrededor de un tomo donde, de acuerdo con la probabilidad de encontrar un electrn es mxima. Energa de la primera ionizacin La energa de ionizacin es la energa que se requiere para hacer que un tomo libre o una molcula pierdan un electrn en el vaco. En otras palabras; la energa de ionizacin es una medida de la fuerza con la que un electrn se enlaza con otras molculas. Esto involucra solamente a los electrones del crculo externo. Energa de la segunda ionizacin Aparte de la energa de la primera ionizacin, que indica la dificultad de arrancar el primer electrn de un tomo, tambin existe la medida de energa par ala segunda ionizacin. Esta energa de la segunda ionizacin indica el grado de dificultad para arrancar el segundo tomo. Tambin existe la energa de la tercera ionizacin, y a veces incluso la de la cuarta y quinta ionizaciones Radio inico El radio inico es el radio que tiene un tomo cuando ha perdido o ganado electrones, adquiriendo la estructura electrnica del gas noble ms cercano. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 (alcalinos) tienen una configuracin electrnica del tipo ...ns1; lo ms fcil es que pierdan ese electrn del orbital del nivel superior, ms dbilmente atrado por el ncleo, y que adquieran la estructura electrnica del gas noble anterior. Por tanto, la carga nuclear ser mayor que la electrnica, con lo que el ncleo atraer con ms fuerza a los electrones, y el radio inico ser menor que el radio atmico. Todo lo contrario ocurre en los elementos del grupo 17(halgenos). En stos la configuracin electrnica es del tipo ...ns2 np5, con lo que es ms fcil que completen el orbital p ganando un electrn, luego su carga nuclear ser menor que la electrnica y la atraccin que ejercer el ncleo sobre los electrones ser tambin menor. Por tanto, los radios inicos, en este caso, son mayores que los atmicos. Podemos generalizar diciendo que los iones cargados negativamente (aniones) son siempre mayores que los tomos de los que derivan, aumentando su tamao con la carga negativa: los iones positivos (cationes), sin embargo, son siempre menores

que los tomos de los que derivan, disminuyendo su tamao al aumentar al carga positiva. Entre los iones con igual nmero de electrones (isoelectrnicos) tiene mayor radio el de menor nmero atmico, pues la fuerza atractiva del ncleo es menor al ser menor su carga.1.2,4 PROPIEDADES QUMICA Y SU VARIACIN PERIDICA:

F

METALES grupo de elementos qumicos que presentan todas o gran parte de las siguientes propiedades fsicas: estado slido a temperatura normal, excepto el mercurio que es lquido; opacidad, excepto en capas muy finas; buenos conductores elctricos y trmicos; brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado slido. Metales y no metales se encuentran separados en el sistema peridico por una lnea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran esta diagonal boro, silicio, germanio, arsnico, antimonio, teluro, polonio y astato tienen propiedades tanto metlicas como no metlicas. Los elementos metlicos ms comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, nquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estao, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metlicos se pueden combinar unos con otros y tambin con otros

elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o ms metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleacin. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metlicos son conocidas como amalgamas. PROPIEDADES FSICAS Los metales muestran un amplio margen en sus propiedades fsicas. La mayora de ellos son de color grisceo, pero algunos presentan colores distintos; el bismuto es rosceo, el cobre rojizo y el oro amarillo. En otros metales aparece ms de un color, y este fenmeno se denomina pleocrosmo. El punto de fusin de los metales vara entre los -39 C del mercurio y los 3.410 C del volframio. El iridio, con una densidad relativa de 22,4, es el ms denso de los metales. Por el contrario, el litio es el menos denso, con una densidad relativa de 0,53. La mayora de los metales cristalizan en el sistema cbico, aunque algunos lo hacen en el hexagonal y en el tetragonal. La ms baja conductividad elctrica la tiene el bismuto, y la ms alta a temperatura ordinaria la plata. La conductividad en los metales se puede reducir mediante aleaciones. Todos los metales se expanden con el calor y se contraen al enfriarse. Ciertas aleaciones, como las de platino e iridio, tienen un coeficiente de dilatacin extremadamente bajo. Los metales suelen ser duros y resistentes. Aunque existen ciertas variaciones de uno a otro, en general los metales tienen las siguientes propiedades: dureza o resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original despus de sufrir deformacin; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la accin del martillo; resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presin continuadas, y ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas METALES ALCALINOTERIOS Metales alcalinotrreos, serie de seis elementos qumicos que se encuentran en el grupo 2 (o IIA) del sistema peridico. Son poderosos agentes reductores, es decir, se desprenden fcilmente de los electrones. Son menos reactivos que los metales alcalinos, pero lo suficiente como para no existir libres en la naturaleza. Aunque son bastante frgiles, los metales alcalinotrreos son maleables y dctiles. Conducen bien la electricidad y cuando se calientan arden fcilmente en el aire. Los metales alcalinotrreos son, por orden de nmero atmico creciente: berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio. Sus xidos se llaman tierras alcalinas. Actnidos Grupo de 14 elementos radiactivos del sistema peridico con nmeros atmicos entre 89 y 102. Slo los cuatro primeros se han encontrado en la naturaleza en cantidades apreciables; los dems han sido producidos artificialmente. Los elementos con nmeros atmicos 93 y siguientes se llaman elementos transurnicos. Los que constituyen el grupo de actnidos son, por orden de nmero atmico

creciente: actinio, torio, protactinio, uranio, neptunio, plutonio, americio, curio, berquelio, californio, einstenio, fermio, mendelevio y nobelio. GASES NOBLES Elemento qumico gaseoso, smbolo He, nmero atmico 2 y peso atmico de 4.0026. El helio es uno de los gases nobles del grupo O de la tabla peridica. Es el segundo elemento ms ligero. La fuente principal de helio del mundo es un grupo de campos de gas natural en los Estados Unidos. El helio es un gas incoloro, inodoro e inspido. Tiene menor solubilidad en agua que cualquier otro gas. Es el elemento menos reactivo y esencialmente no forma compuesto qumicos. La densidad y la viscosidad del vapor de helio son muy bajas. La conductividad trmica y el contenido calrico son excepcionalmente altos. El helio puede licuarse, pero su temperatura de condensacin es la ms baja de cualquier sustancia conocida. El helio fue el primer gas de llenado de globos y dirigibles. Esta aplicacin contina en la investigacin de alta altitud y para globos meteorolgicos. El uso principal del helio lo constituye el gas inerte de proteccin en soldadura autgena. Su mayor potencial lo encontramos en aplicaciones a temperaturas muy bajas. El helio es el nico refrigerante capaz de alcanzar temperaturas menores que 14 K (-434F). El principal valor de la temperatura ultrabaja est en el desarrollo del estado de superconductividad, en el cual hay prcticamente una resistencia cero al flujo de la electricidad. Otras aplicaciones son su uso como gas presurizante en combustibles lquidos de cohetes, en mezclas helio-oxgeno para buzos, como fluido de trabajo en los reactores nucleares enfriados por gas y como gas transportador en los anlisis qumicos por cromatografa de gases. El helio terrestre se forma por decaimiento radiactivo natural de elementos ms pesados. La mayor parte de este helio migra a la superficie y entra en la atmsfera. Cabra suponer que la concentracin atmosfrica del helio (5.25 partes por milln al nivel del mar) fuese superior. Sin embargo, su peso molecular bajo le permite escapar al espacio a una velocidad equivalente a la de su formacin. Los gases naturales lo contienen en concentraciones superiores a la atmosfrica.

1.3 EJEMPLOS DE LAS PROPIEDADES E IMPORTANCIA ECONOMICA DE ALGUNOS ELEMENTOS

HIDROGENO Nombre Nmero atmico Valencia Estado de oxidacin Electronegatividad Radio covalente () Radio inico () Radio atmico () Configuracin electrnica Primer potencial de ionizacin (eV) Masa atmica (g/mol) Densidad (g/ml) Punto de ebullicin (C) Punto de fusin (C) Descubridor

Hidrgeno 1 1 +1 2,1 0,37 2,08 1s1 13,65 1,00797 0,071 -252,7 -259,2 Boyle en 1671

Usos: El empleo ms importante del hidrgeno es en la sntesis del amoniaco. La utilizacin del hidrgeno est aumentando con rapidez en las operaciones de refinacin del petrleo, como el rompimiento por hidrgeno (hydrocracking), y en el tratamiento con hidrgeno para eliminar azufre. Se consumen grandes cantidades de hidrgeno en la hidrogenacin cataltica de aceites vegetales lquidos insaturados para obtener grasas slidas. La hidrogenacin se utiliza en la manufactura de productos qumicos orgnicos. Grandes cantidades de hidrgeno se emplean como combustible de cohetes, en combinacin con oxgeno o flor, y como un propulsor de cohetes impulsados por energa nuclear. Propiedades: El hidrgeno comn tiene un peso molecular de 2.01594. El gas tiene una densidad de 0.071 g/l a 0C y 1 atm. Su densidad relativa, comparada con la del aire, es de 0.0695. El hidrgeno es la sustancia ms inflamable de todas las que se conocen. El hidrgeno es un poco ms soluble en disolventes orgnicos que en el agua. Muchos metales absorben hidrgeno. La adsorcin del hidrgeno en el acero puede volverlo quebradizo, lo que lleva a fallas en el equipo para procesos qumicos. Compuestos principales: El hidrgeno es constituyente de un nmero muy grande de compuestos que contienen uno o ms de otros elementos. Esos compuestos incluyen el agua, los cidos, las bases, la mayor parte de los compuestos orgnicos y muchos minerales. Los compuestos en los cuales e