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7/25/2019 Materia, estructura, composicin, estados de agregacin y clasificacin por propiedades.
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1.1.- Materia, estructura, composicin, estados de agregacin y clasificacin
por propiedades.
Clasificaciones de la materia
Iniciemos nuestro estudio de la qumica examinando algunas formas fundamentales
de clasificar y describir la materia. Dos de los principales mtodos de clasificacin
de la materia se basan en su estado fsico (como gas, lquido o slido) y en su
composicin (como elemento, compuesto o mezcla). (ursten, !""#, p$g. %).
Sustancias y mezclas
&na sustancia es una forma de materia que tiene composicin definida (constante) y
propiedades distinti'as. on eemplos de ello el agua, amoniaco, az*car de mesa
(sacarosa), oro y oxgeno. +as sustancias difieren entre s por su composicin y se
pueden identificar seg*n su aspecto, color, sabor y otras propiedades.
&na mezcla es una combinacin de dos o m$s sustancias en la que stas
conser'an sus propiedades. algunos eemplos familiares de ello son el aire, las
bebidas gaseosas, la lece y el cemento. +as mezclas no poseen composicin
constante. -or tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudadesprobablemente diferir$n en su composicin a causa de diferencias de altitud,
contaminacin atmosfrica, etctera. (ang, !"/", p$g. //).
+as mezclas pueden ser omogneas o eterogneas. cuando se disuel'e una
cucarada de az*car en agua, se obtiene una mezcla omognea, en la que la
composicin de la mezcla es uniforme. in embargo, al mezclar arena con 'irutas
de ierro, tanto una como las otras se mantienen separada. 0n tal caso, se abla de
una mezcla eterognea porque su composicin no es uniforme.
ualquier mezcla, sea omognea o eterognea, se puede formar y luego separar
por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales
componentes. 1s pues, el az*car se puede recuperar de una disolucin acuosa al
calentar esta *ltima y e'aporarla por completo. +a condensacin del 'apor permite
recuperar el agua. 0n cuanto a la separacin de la mezcla ierro2arena, es posible
usar un im$n para separar las 'irutas de ierro, ya que el im$n no atrae a la arena
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misma. Despus de la separacin, los componentes de la mezcla tendr$n la misma
composicin y propiedades que al principio. (ang, !"/", p$g. //).
Elementos y compuestos
0lementos
+as sustancias pueden ser elementos o compuestos. un elemento es una sustancia
que no se puede separar en otras m$s sencillas por medios qumicos. 3asta la
feca se an identificado //4 elementos. +a mayora de ellos se encuentran de
manera natural en la 5ierra. +os otros se an obtenido por medios cientficos
mediante procesos nucleares.
-or con'eniencia, los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar
a los elementos. +a primera letra del smbolo siempre es may*scula, no as la letra
siguiente. -or eemplo, o es el smbolo del elemento obalto, en tanto que o es
la frmula de la molcula monxido de carbono. +os smbolos de algunos elementos
se deri'an de su nombre en latn, por eemplo, 1u de 1urum (oro), 6e de 6errum
(ierro) y 7a de 7atrium (sodio), en cambio, en mucos otros casos guardan
correspondencia con su nombre en ingls. (ang, !"/", p$g. //,/! ).
ompuestos
asi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar
compuestos. 0l idrgeno gaseoso, por eemplo, arde en oxgeno para formar agua.
-or otro lado, es posible descomponer agua en sus elementos constituyentes
pasando a tra's de ella una corriente elctrica. 0l agua pura, sea cual sea su
origen, consiste en //8 de idrgeno y 9:8 de oxgeno en masa. 0sta composicin
macroscpica del agua corresponde a su composicin molecular, que consta de dos
$tomos de idrgeno combinados con uno de oxgeno. +as propiedades del agua no
se parecen a las de sus elementos componentes. 0l idrgeno, el oxgeno y el agua
son sustancias distintas. +a obser'acin de que la composicin elemental de un
compuesto puro siempre es la misma se conoce como ley de la composicin
constante (o ley de las proporciones definidas). 0l primero en proponer esta ley fue
el qumico francs ;osep +ouis -roust (/4%#2/9!
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preparados en el laboratorio y los compuestos correspondientes que se encuentran
en la naturaleza. 7o obstante, un compuesto puro tiene la misma composicin y
propiedades sea cual sea su origen. 5anto los qumicos como la naturaleza deben
usar los mismos elementos y suetarse a las mismas leyes naturales.
+as diferencias de composicin y propiedades entre dos sustancias indican que
contienen distintos compuestos o que difieren en su grado de pureza. (ursten,
!""#, p$g. 4).
Estados de la materia
1l menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados> slido,
lquido y gaseoso. +os gases difieren de los lquidos y slidos en la distancia que
media entre las molculas. (ang, !"/", p$g. /?).
&na muestra de materia puede ser gaseosa, lquida o slida. 0stas tres formas de
materia se denominan estados de la materia. +os estados de la materia difieren en
algunas de sus propiedades obser'ables.
&n gas (tambin llamado 'apor) no tiene 'olumen ni forma fios@ m$s bien, se austa
al 'olumen y la forma del recipiente que lo contiene. -odemos comprimir un gas de
modo que ocupe un 'olumen m$s peque=o, o expandirlo para ocupar uno mayor.
&n lquido tiene un 'olumen definido independiente del recipiente pero no tiene
forma especfica@ asume la forma de la porcin del recipiente que ocupa. &n slido
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tiene forma y 'olumen definidos@ es rgido. 7i los lquidos ni los slidos pueden
comprimirse de forma apreciable. +as propiedades de los estados pueden
entenderse en el ni'el molecular. 0n un gas, las molculas est$n muy separadas y
se mue'en a alta 'elocidad, cocando repetidamente entre s y con las paredes del
recipiente. 0n un lquido, las molculas est$n m$s cercanas, pero a*n se mue'en
r$pidamente, y pueden deslizar2 se unas sobre otras@ por ello los lquidos fluyen
f$cilmente.
0n un slido, las molculas est$n firmemente unidas entre s, por lo regular en
patrones definidos dentro de los cuales las molculas apenas pueden mo'erse un
poco de esas posiciones fias. -or ello, los slidos tienen forma rgida. (ursten,
!""#, p$g. %).
Propiedades de la materia
ada sustancia tiene un conunto *nico de propiedades> caractersticas que
permiten reconocerla y distinguirla de otras sustancias. +as propiedades de la
materia se pueden agrupar en dos categoras> fsicas y qumicas. -odemos medir
las propiedades fsicas sin cambiar la identidad ni la composicin de la sustancia.
0stas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusin, punto deebullicin y dureza. (ursten, !""#, p$g. :).
+as propiedades qumicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar
o reaccionar para formar otras sustancias. -or eemplo, una propiedad qumica
com*n es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia para arder en presencia
de oxgeno. 1lgunas propiedades como> la temperatura, el punto de fusin y la
densidad, no dependen de la cantidad de muestra que se est$ examinando.
0stas propiedades, llamadas propiedades intensi'as, son especialmente *tiles en
qumica porque mucas de ellas pueden ser'ir para identificarlas sustancias. +as
propiedades extensi'as de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e
incluyen mediciones de la masa y el 'olumen. +as propiedades extensi'as tienen
que 'er con la cantidad de sustancia presente. (ursten, !""#, p$g. :).
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Cambios fsicos y umicos
1l igual que se ace con las propiedades de una sustancia, los cambios que sufren
las sustancias se pueden clasificar como fsicos o qumicos. Durante un cambio
fsico, las sustancias 'aran su apariencia fsica pero no su composicin. +a
e'aporacin del agua es un cambio fsico. uando el agua se e'apora, cambia del
estado lquido al gaseoso, pero sigue estando constituida por molculas de agua.
5odos los cambios de estado (por eemplo, de lquido a gas o de lquido a slido)
son cambios fsicos.
0n los cambios qumicos (tambin llamados reacciones qumicas), las sustancias se
transforman en sustancias qumicamente distintas. -or eemplo, cuando se quema
idrgeno en aire, sufre un cambio qumico porque se combina con oxgeno para
formar agua. 0ste proceso, 'isto desde la perspecti'a molecular. +os cambios
fsicos pueden ser dr$sticos. (ursten, !""#, p$g. /").
1.!.- Periodicidad umica
e denominan propiedades peridicas a aquellas propiedades que 'aran en forma
regular a lo largo de un periodo o de un grupo. 1lgunas de estas propiedades son
las siguientes> tama=o atmico, potencial de ionizacin, afinidad electrnica y
electronegati'idad. (Auardado, !""4, p$g. /#4).
"adio atmico
+a nube electrnica en torno a un $tomo no ayuda a precisar el concepto de tama=o
atmico. 1un as, es *til referirse al tama=o atmico o al radio atmico. Desde el
punto de 'ista operacional, se puede di'idir la distancia entre los centros de dos
$tomos unidos qumicamente, determinada experimentalmente, para obtener los
dos radios atmicos. i el enlace es co'alente, el radio se llama radio co'alente@ siel enlace es inico, el radio es un radio inico. (Bosenberg, !"":, p$g. //9).
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0l radio, para el caso en que no aya enlace, tambin se puede definir en trminos
de la distancia de mnimo acercamiento sin unin, y se llama radio de 'an der
Caals. e obser'an las siguientes generalizaciones en relacin con el tama=o
atmico>
/.Dentro de determinado grupo de la tabla peridica, el radio aumenta al
incrementar el n*mero atmico. 0sto se relaciona con el mayor n de la capa
externa.
!.Dentro de determinado periodo de la tabla peridica, los radios co'alentes
disminuyen, generalmente, al incrementar el n*mero atmico. 0sto se relaciona con
que> a) el tama=o de un $tomo depende de la distancia promedio de su o sus
electrones externos, b) no cambia n del o los electrones externos, dentro de
determinado periodo, y c) aumenta la carga nuclear al incrementar el n*mero
atmico. (Bosenberg, !"":, p$g. //9).
?.+os radios inicos de los cationes (iones positi'os) son bastante peque=os en
comparacin con los radios co'alentes de los $tomos correspondientes, porque
suelen aberse eliminado todos los electrones externos (n m$ximo). +os radios de
los aniones (iones negati'os) slo son un poco mayores que los radios de 'an derCaals de los $tomos correspondientes, porque el o los electrones adicionales tienen
el mismo n. in embargo, los radios co'alentes de esos $tomos son
apreciablemente menores, porque est$n unidos con sus 'ecinos compartiendo
electrones. (Bosenberg, !"":, p$g. //9,//:).
#.Dentro de determinado grupo, los radios inicos aumentan al incrementar el
n*mero atmico. Dentro de cierto periodo, los radios de los cationes disminuyen al
aumentar el n*mero atmico, de la misma manera que los radios de los aniones.
bser'e que, en determinado periodo, el radio del *ltimo catin y el primer anin no
se apegan a la tendencia. +a razn es que un ion es un catin por prdida de
electrones, pero un anin es el resultado de la ganancia de uno o 'arios electrones.
(Bosenberg, !"":, p$g. //:).
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"adio co#alente
uando se unen dos $tomos del mismo elemento, el radio atmico se define comola mitad de la distancia entre los dos n*cleos. (Auardado, !""4, p$g. /#4).
0emplos>
+a distancia internuclear en el enlace r2r
en la molcula r!, es !!9.< pm. 1s,
podemos decir que el radio atmico del r es
de //#.? pm
+a distancia internuclear en el enlace 2, del diamante es /%# pm. 1s, podemos
decir que el radio atmico del es de 44 pm.
i el carbono y el bromo se unen, 2r, la distancia de enlace entre ellos debe ser>
//#pm E 44pm F /:/ pm
+os datos obtenidos de manera indirecta, no difieren muco de los datos obtenidos
experimentalmente. 1l graficar los radios atmicos con respecto al n*mero atmico,
se an encontrado las siguientes tendencias peridicas. (Auardado, !""4, p$g.
/#4).
/. Dentro de un grupo de la tabla peridica, el radio atmico aumenta de arriba
acia abao, debido a que aumentan los ni'eles de energa y por consiguiente la
distancia del n*cleo acia los electrones externos. (Auardado, !""4, p$g. /#4).
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!. 0n un periodo, el radio atmico disminuye de izquierda a dereca. 0sto se debe a
que al recorrer un periodo se mantiene constante el n*mero de electrones internos,
mientras que el n*mero de electrones externos aumenta y pro'oca que se
incremente la carga nuclear efecti'a y disminuya el tama=o. (Auardado, !""4, p$g.
/#4).
?. 0l tama=o de un catin, o ion positi'o, es menor que el del $tomo neutro
correspondiente. 0sto se debe a que aumenta la carga positi'a sobre el n*cleo, y
los electrones son m$s fuertemente atrados. (Auardado, !""4, p$g. /#9).
#. 0l tama=o de un anin, o ion negati'o, es mayor que el del $tomo neutro
correspondiente. 0sto se debe a que aumenta la repulsin entre los electrones de la
capa externa y el electrn extra. (Auardado, !""4, p$g. /#9).
Energa de $onizacin
+a frmula de or para los ni'eles energticos del $tomo de idrgeno indica que
los ni'eles energticos m$s altos se acercan cada 'ez m$s entre s y tienden a un
lmite de cero cuando n G H. 0n este lmite, el $tomo se a ionizado. +a energa
mnima necesaria para ionizar un $tomo gaseoso aislado puede determinarse con
mtodos espectroscpicos, termoqumicos o elctricos. on el mtodo elctrico se
mide el potencial de aceleracin que imparte a un electrn proyectil (no a un
electrn dentro del $tomo) una cantidad de energa cintica, apenas suficiente para
separar al electrn enlazado de su $tomo. 0so quiere decir que, en trminos
elctricos, se puede medir la energa de ionizacin en forma directa.
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0l electron'olt, e', es la energa impartida a un electrn acelerado por una diferencia
de potencial de / . (7ota> / F / ;J.) 0l 'alor de un electron'olt se expresa de la
manera siguiente>
(Bosenberg, !"":, p$g. /??).
%finidad electrnica
+a afinidad electrnica se define como la energa que se libera o se absorbe cuando
un $tomo neutro en estado gaseoso gana un electrn para formar un ion negati'o
(anin). (Auardado, !""4, p$g. /%").
5anto el potencial de ionizacin como la afinidad electrnica se 'en afectadas por el
tama=o atmico. 0ntre mayor sea la afinidad electrnica de un elemento, mayor
ser$ su tendencia a ganar electrones, as>
+os no metales, al tener alta afinidad electrnica y alto potencial de ionizacin, su
tendencia es a ganar electrones. 1s mismo, los metales al presentar baa afinidad
electrnica y bao potencial de ionizacin, su tendencia es a perder electrones. 1l
graficar las afinidades electrnicas de los elementos con respecto al n*meroatmico, se an encontrado las siguientes tendencias peridicas. (Auardado, !""4,
p$g. /%").
/. 1l recorrer de arriba acia abao un grupo de la tabla peridica, la afinidad
electrnica disminuye. 0sto se explica, debido a que el $tomo aumenta de tama=o y
por consiguiente, la distancia del n*cleo acia los electrones externos aumenta,
pro'ocando la f$cil eliminacin del electrn y dificultando la ganancia de electrones.
0sto explica por qu en los grupos del /? al /9 los elementos que se encuentran en
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la parte baa del grupo tienen ciertas caractersticas met$licas. (Auardado, !""4,
p$g. /%").
!. 1l recorrer un periodo de izquierda a dereca la afinidad electrnica aumenta.
0sto se explica, por el aumento de carga nuclear efecti'a que pro'oca que el
tama=o disminuya, aciendo m$s difcil eliminar un electrn y facilitando la ganancia
de electrones. (Auardado, !""4, p$g. /%").
Electronegati#idad
+a electronegati'idad se define como la medida de la capacidad que tiene un $tomo
en una molcula, para atraer aca s los electrones del enlace. (Auardado, !""4,
p$g. /%/).
+a electronegati'idad al igual que la afinidad electrnica, aumenta de izquierda a
dereca y de abao acia arriba. De forma tal, que el elemento m$s electronegati'o
es el fl*or y el menos electronegati'o es el francio. +a electronegati'idad es una
propiedad molecular que se manifiesta cuando los $tomos se encuentran unidos y
es importante para predecir el tipo de enlace formado. (Auardado, !""4, p$g. /%/).
+os $tomos de los elementos m$s electronegati'os son los que eercen mayor
atraccin sobre los electrones compartidos en un enlace co'alente. +inus -auling
fue el primero en idear una escala numrica de electronegati'idades y asign un
'alor de #." al fl*or como el elemento m$s electronegati'o. (Auardado, !""4, p$g.
/%/).
1.& - Elementos de importancia econmica, industrial y ambiental en la regino el pas.
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1luminio (1l)> Ketal ligero resistente a la corrosin resistente al impacto, se puede
laminar e ilar, por lo que se emplea en construccin, en partes de 'eculos,
a'iones y utensilios domsticos. e le extrae de la bauxita, la cual contiene aluminio
1l!? , por reduccin electroltica. Kxico carece de bauxita pero en eracruz ay
una planta que produce lingotes de aluminio.
1zufre ()> 7o metal, solido de color amarillo, se encuentra en yacimientos
'olc$nicos y aguas saturadas. e emplea en la elaboracin de fertilizantes,
medicamentos, insecticidas,, productos qumicos y petroqumicos@ se recupera de
los gases amargos de campos petrolferos como el de d. -0K0L, 5abasco.
obalto (o)> Ketal de color blanco que se emplea en la elaboracin de aceros
especiales debido a su alta resistencia al calor, corrosin y friccin. e emplea en
erramientas mec$nicas de alta 'elocidad, imanes y motores. 0n forma de pol'o se
emplea como pigmento azul para el 'idrio. 0s catalizador. u istopo radiacti'o se
emplea ene l Instituto 7acional de In'estigaciones 7ucleares (I.7.I.7.) Kxico,
porque produce radiaciones gamma. e an encontrado minerales oxidados y
sulfuros en onora, ;alisco, Kicoac$n, -uebla y axaca.
obre (u)> Ketal de color roo que se carbonata al aire *medo y se pone 'erde,
conocido desde la antigMedad. e emplea principalmente como conductor elctrico,
tambin para acer monedas, y en aleaciones como latn y bronce. 0ntre los
distritos mineros productores est$n> onora, Nacatecas y iuaua.
3iero (6e)> Ketal d*ctil, maleable, de color gris negruzco, conocido desde la
antigMedad, se oxida al contacto con el aire *medo. e extrae de minerales como
la emalita, limonita, pirita, magnetita y siderita. e le emplea en la industria, arte y
medicina. -ara fabricar acero, cemento, fundiciones de metales no ferrosos@ la
sangre lo contiene en la emoglobina. 0n el -as se le encuentra en unos !%"
depsitos que est$n en aa alifornia, olima, ;alisco, iuaua, Durango,
Auerrero y Kicoac$n. (1K-, /::?, -1A 0ste no metal est$ contenido en la fluorita a6, en forma de 'etas
encaonadas en calizas. +a fluorita se emplea como fundente en ornosmetal*rgicos para obtener 36, 73#6 y grabar el 'idrio, tambin en la industria
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qumica, cer$mica y potabilizacin del agua. +os depsitos mexicanos de fluorita
est$n en oauila, an +uis -otos, Durango y iuaua.
6sforo (-)> 0lemento no met$lico que se encuentra en la roca fosfrica que
contiene -!"? o en la fosforita a!(-#)!. +os uesos y los dientes contienen este
elemento. 5iene aplicaciones para la elaboracin de detergentes, pl$sticos, lacas,
cerillos, explosi'os, refinacin de az*car, industria textil, fotografa, fertilizantes,
cer$mica, pinturas, alimentos para ganados y a'es. +os yacimientos mexicanos de
roca fosfatada se localizan en oauila, Nacateca, 7ue'o +en y aa alifornia.
Kercurio (3g)> Ketal lquido a temperatura ambiente, de color blanco brillante,
resistente a la corrosin y buen conductor elctrico. e le emplea en la fabricacin
de instrumentos de precisin, bateras, termmetros, barmetros, amalgamas
dentales, armas para preparar cloro, sosa c$ustica, medicamentos, insecticidas,
fungicidas y bactericidas. +os yacimientos de mercurio en la Bep*blica se
encuentran en m$s de /% 0stados, destacando Ouertaro, Nacatecas, Durango,
an +uis -otos, Auerrero. e le obtiene principalmente del cinabrio que contiene
3g.
-lata (1g)> Ketal color blanco, su uso tradicional a sido en la acu=acin demonedas y manufactura de 'aillas y oyas. e emplea en fotografa, aparatos
elctricos, aleaciones, soldaduras. 0ntre los 0stados productores est$n Auanauato,
an +uis -otos, Nacatecas e 3idalgo.
+a produccin de plata en Kxico se obtiene como subproductos del beneficio de
sulfuros de plomo, sobre y zinc que la contienen. Becientemente se a substituido
su uso en monedas por la aleacin cobre2nquel.
-lomo (-b)> Ketal blando, de bao punto e fusin, bao lmite el$stico, resistente a la
corrosin, se le obtiene del sulfuro llamado galena -b. e usa en bateras o
acumuladores, pigmentos de pinturas, linotipos, soldaduras, in'estigaciones
atmicas. +a produccin se localiza en /4 0stados entre ellos iuaua y
Nacatecas. tros productos que se obtienen o se pueden recuperar de los minerales
que lo contienen son> cadmio, cobre, oro, plata, bismuto, arsnico, telurio yantimonio. (1K-, /::?, -1A
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ro (1u)> Ketal de color amarillo, inalterable, d*ctil, brillante, sus propiedades y su
rareza le acen ser excepcional y de gran 'alor. 0s el patrn monetario
internacional. 0n la naturaleza se encuentra asociado al platino, a la plata y al telurio
en unos casos. us aleaciones se emplean en oyera y ornamentos, piezas
dentales, equipos cientficos de laboratorio. Becientemente se a substituido su uso
en oyera por el iridio y el rutenio, en piezas dentales por platino y paladio. +os
yacimientos en el pas son escasos pero los ay en iapas, iuaua, Durango,
Auanauato, Auerrero, 3idalgo, axaca, Kicoac$n, an +uis -otos y Nacatecas.
&ranio (&)> &tilizado como combustible nuclear, este es un elemento raro en la
naturaleza y nunca se presenta en estado libre. 0xisten /%" minerales que lo
contiene. 0l torio se encuentra asociado al uranio. 0n Kxico este mineral est$
regido por la ley promulgada en /:#:, que declara como reser'as mineras
nacionales los yacimientos de uranio, torio y dem$s substancias de las cuales se
obtenga istopos que puede producir energa nuclear.
(1K-, /::?, -1A