QUÍMICA GENERAL
QUÍMICA GENERAL
La química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que esta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.1 Linus Pauling la define como la ciencia que estudia las sustancias, su estructura (tipos y formas de acomodo de los átomos), sus propiedades y las reacciones que las transforman en otras sustancias en referencia con el tiempo.
La química se ocupa principalmente de las agrupaciones supraatómicas, como son los gases, las moléculas, los cristales y los metales, estudiando su composición, propiedades estadísticas, transformaciones y reacciones.
La química también incluye la comprensión de las propiedades e interacciones de la materia a escala atómica.La mayoría de los procesos químicos se pueden estudiar directamente en el laboratorio, usando una serie de técnicas a menudo bien establecidas, tanto de manipulación de materiales como de comprensión de los procesos subyacentes. Una aproximación alternativa es la proporcionada por las técnicas de modelado molecular, que extraen conclusiones de modelos computacionales. La química es llamada a menudo «ciencia central», por su papel de conexión con las otras ciencias naturales.
Números cuánticos
La solución de la ecuación de onda de Schrödinger da origen a cuatro tipos de valores llamados números cuánticos. Estos números proporcionan una mejor característica de los electrones.
- Número cuántico principal (n)
- Número cuántico secundario (ℓ)
- Número cuántico magnético (m)
- Número cuántico espín (s).
- Número cuántico principal (n)
Especifica el nivel energético del orbital, siendo el primer nivel el de menor energía, y se relaciona con la distancia promedio que hay del electrón al núcleo en un determinado orbital. A medida que n aumenta, la probabilidad de encontrar el electrón cerca del núcleo disminuye y la energía del orbital aumenta.
Puede tomar los valores enteros positivos: n= 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Por ejemplo si tengo un elemento químico que su último nivel es el 3s, su número cuántico principal sería el 3.
Si tengo un elemento químico en que su último nivel es el 1s, entonces su número cuántico principal sería 1.
Número cuántico secundario (ℓ)
También es conocido como el número cuántico del momento angular orbital o número cuántico azimutal y se simboliza como ℓ (L minúscula).
Describe la forma geométrica del orbital. Los valores de l dependen del número cuántico principal. Puede tomar los valores desde ℓ = 0 hasta ℓ =n-1. Por ejemplo:
si n = 2 ; ℓ = 0, 1.
si n = 4 ; ℓ = 0, 1, 2, 3.
En el caso de los átomos con más de un electrón, determina también el subnivel de energía en el que se encuentra un orbital, dentro de un cierto nivel energético. El valor de l se designa segun las letras:
Los orbitales que tienen el mismo valor de n, reciben el nombre de "nivel" y los orbitales que tienen igual n y ℓ, "subnivel".
Por ejemplo si tenemos un elemento químico en que su último orbital es el 2p: el número cuántico principal sería 2 y el número cuántico secundario (ℓ) sería 1, ya que si nos fijamos en la tabla p=1.
Otro ejemplo: si tenemos un elemento químico en que su último nivel es el 3d, el n = 3 y el ℓ = 2 , ya que d=2
- Número Cuántico magnético (mℓ)
Indica la orientación del orbital en el espacio. Puede tomar valores entre:
- ℓ...0...+ℓ
Solo pueden tomar valores enteros que van desde –3 hasta +3, incluyendo el cero.
Así, Si ℓ=0, m= 0
si ℓ=1, existen tres posibilidades de mℓ;estas son: -1, 0, +1. El subnivel p tiene 3 orbitales, que se designan por: px, py y pz.
- Si ℓ=2, existen 5 posibilidades -2, -1, 0, 1, 2. el subnivel d tiene 5 orbitales, que se designan por : dxy, dyz, dxz, dx2- y2, dz2.
En resumen:
Para el subnivel s : m = 0
Para el subnivel p : m = –1 , 0 , +1
Para el subnivel d : m = –2 , –1 , 0 , +1 , +2
Para el subnivel f : m = –3 , –2 , –1 , 0 , +1 , +2 ,+3
- Número cuántico de espín (ms)
El electrón posee su propio número cuántico que da a conocer el sentido de rotación del electrón en torno a su eje cuando se mueve dentro de un orbital. El electrón solo tiene dos posibles sentidos de giro, por lo que se puede tomar valores +1/2 o -1/2 . Cada orbital puede albergar un máximo de dos electrones con espines diferentes.
¿Cuáles son los cuatro números cuánticos que identifican al último electrón ubicado en 3d5?
1° Podemos observar que el número cuántico principal es 3
n = 3
2° Según la tabla podemos observar que:
por lo tanto su número cuántico secundario es 2, es decir:
ℓ=2
3° El subnivel d tiene 5 orbitales, es decir:
Ahora colocamos los electrones que nos dan:
5° Vemos que la flecha hacia arriba tiene un spin magnético igual a + 1/2, por lo tanto:
ms = + 1/ 2
Ejemplo resuelto 2: ¿Qué datos del electrón indican los siguientes números cuánticos?
n = 4 , l=1, m = –1, ms = +1/2
Respuesta: Indican que el electrón está en el nivel 4, en el subnivel p, en la orientación x y con espín positivo (flecha hacia arriba).
radio atómico
El radio atómico se define como la mitad de la distancia entre 2 núcleos atómicos adyacentes de un elemento.
A continuación aprenderás de qué modo esta propiedad periódica depende de las interacciones entre el núcleo y los electrones de un átomo.
Enlace químico
Qué es un enlace químico
Conocemos como enlaces químicos a la fusión de átomos y moléculas para formar compuestos químicos más grandes y complejos dotados de estabilidad. En este proceso los átomos o moléculas alteran sus propiedades físicas y químicas, constituyendo nuevas sustancias homogéneas (no mezclas), inseparables a través de mecanismos físicos como el filtrado o el tamizado.
Es un hecho que los átomos que forman la materia tienden a unirse y alcanzar condiciones más estables que en solitario, a través de diversos métodos que equilibran o comparten sus cargas eléctricas naturales. Se sabe que los protones en el núcleo de todo átomo poseen carga positiva (+) y los electrones alrededor poseen carga negativa (-), mientras que los neutrones, también en el núcleo, no tienen carga, pero aportan masa (y, por lo tanto, gravedad).
Los enlaces químicos ocurren en la naturaleza y forman parte tanto de sustancias inorgánicas como de formas de vida, ya que sin ellos no podrían construirse las proteínas y aminoácidos complejos que conforman nuestros cuerpos.
De manera semejante, los enlaces químicos pueden romperse bajo ciertas y determinadas condiciones, como al ser sometidos a cantidades de calor, a la acción de la electricidad, o a la de sustancias que rompan la unión existente y propicien otras nuevas junturas.
Así, por ejemplo, es posible someter al agua a electricidad para separar las uniones químicas entre el hidrógeno y el oxígeno que la conforman, en un proceso denominado electrólisis; o añadir grandes cantidades de energía calórica a una proteína para romper sus enlaces y desnaturalizarla, es decir,
romperla en trozos más pequeños.
Tipos de enlace químico
Existen tres tipos de enlace químico conocidos, dependiendo de la naturaleza de los átomos involucrados, así:
Enlace covalente. Ocurre entre átomos no metálicos y de cargas electromagnéticas semejantes (por lo general altas), que se juntan y comparten algunos pares de electrones de su última órbita (la más externa), y conseguir una forma eléctrica más estable. Es el tipo de enlace predominante en las moléculas orgánicas y puede ser de tres tipos: simple (A-A), doble (A=A) y triple (A≡A), dependiendo de la cantidad de electrones compartidos.
Enlace iónico. Tiene lugar entre átomos metálicos y no metálicos, y consiste en una transferencia permanente de electrones desde el átomo metálico hacia el átomo no metálico, produciendo una molécula cargada eléctricamente en algún sentido, ya sea cationes (+1) o aniones (-1).
Enlace metálico. Se da únicamente entre átomos metálicos de un mismo elemento, que por lo general constituyen estructuras sólidas, sumamente compactas. Es un enlace fuerte, que junta los núcleos atómicos entre sí, rodeados de sus electrones como en una nube, y cuesta mucho esfuerzo separarlos.
Algunos ejemplos de enlace covalente están presentes en los siguientes compuestos:
Benceno (C6H6)
Metano (CH4)
Glucosa (C6H12O6)
Amoníaco (NH3)
Freón (CFC)
En todas las formas del carbono (C): carbón, diamantes, grafeno, etc.
En cambio, ejemplos de compuestos con enlaces iónicos son:
Óxido de magnesio (MgO)
Sulfato de cobre (CuSO4)
Ioduro de potasio (KI)
Cloruro de manganeso (MnCl2)
Carbonato de calcio (CaCO3)
Sulfuro de hierro (Fe2S3)
Y, finalmente, ejemplos de elementos con enlaces metálicos:
Barras de hierro (Fe)
Yacimientos de cobre (Cu)
Barras de oro puro (Au)
Barras de plata pura (Ag)
Estequiometria
Qué es Estequiometría:
La estequiometría es el cálculo para una ecuación química balanceada que determinará las proporciones entre reactivos y productos en una reacción química.
El balance en la ecuación química obedece a los principios de conservación y los modelos atómicos de Dalton como, por ejemplo, la Ley de conservación de masa que estipula que:
la masa de los reactivos = la masa de los productos
En este sentido, la ecuación debe tener igual peso en ambos lados de la ecuación.
Cálculos estequiométricos
Los cálculos estequiométricos es la manera en que se balancea una ecuación química. Existen 2 maneras: el método por tanteo y el método algebraico.
Cálculo estequiométrico por tanteo
El método por tanteo para calcular la estequiometría de una ecuación se deben seguir los siguientes pasos:
Contar la cantidad de átomos de cada elemento químico en la posición de los reactivos (izquierda de la ecuación) y comparar esas cantidades en los elementos posicionados como productos (derecha de la ecuación).
Balancear los elementos metálicos.
Balancear los elementos no metálicos.
Por ejemplo, el cálculo estequiométrico con el método por tanteo en la siguiente ecuación química:
CH4 + 2O2 → CO + 2H2O
El carbono está equilibrado porque existe 1 molécula de cada lado de la ecuación. El hidrógeno también presenta las mismas cantidades de cada lado. El oxígeno en cambio, suman 4 del lado izquierdo (reactantes o reactivos) y solo 2, por lo tanto por tanteo se agrega un subíndice 2 para transformar el CO en CO2.
De esta forma, la ecuación química balanceada en este ejercicio resulta: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Los números que anteceden el compuesto, en este caso el 2 de O2 y el 2 para H2O se denominan coeficientes estequiométricos.
Cálculo estequiométrico por método algebraico
Para el cálculo estequiométrico por método algebraico se debe encontrar los coeficientes estequiométricos. Para ello se siguen los pasos:
Asignar incógnita
Multiplicar la incógnita por la cantidad de átomos de cada elemento
Asignar un valor (se aconseja 1 o 2) para despejar el resto de las incógnitas
Simplificar
Relaciones estequiométricas
Las relaciones estequiométricas indican las proporciones relativas de las sustancias químicas que sirven para calcular una ecuación química balanceada entre los reactivos y sus productos de una solución química.
Las soluciones químicas presentan concentraciones diferentes entre soluto y solvente. El cálculo de las cantidades obedece a los principios de conservación y los modelos atómicos que afectan los procesos químicos.
Principios de conservación
Los postulados de los principios de conservación ayudarán posteriormente a definir los modelos atómicos sobre la naturaleza de los átomos de John Dalton. Los modelos constituyen la primera teoría con bases científicas, marcando el comienzo de la química moderna.
Ley de conservación de masa: no existe cambios detectables en la masa total durante una reacción química. (1783, Lavoisier)
Ley de las proporciones definidas: los compuestos puros siempre presentan los mismos elementos en la misma proporción de masa. (1799, J. L. Proust)
Modelo atómicos de Dalton
Los modelos atómicos de Dalton constituye la base de la química moderna. En 1803, La teoría atómica básica de John Dalton (1766-1844) postula lo siguiente:
Los elementos químicos están formados por átomos idénticos para un elemento y es diferente en cualquier otro elemento.
Los compuestos químicos se forman por la combinación de una cantidad definida de cada tipo de átomo que forman una molécula del compuesto.
Además, la ley de proporciones múltiples de Dalton define que cuando 2 elementos químicos se combinan para formar 1 compuesto, existe relación de números enteros entre las diversas masas de un elemento que se combinan con una masa constante de otro elemento en el compuesto.
Por lo tanto, en la estequiometría las relaciones cruzadas entre reactantes y productos es posible. Lo que no es posible es la mezcla de unidades macroscópicas (moles) con unidades microscópicas (átomos, moléculas).
Estequiometría y conversión de unidades
La estequiometría usa como factor de conversión desde el mundo microscópico por unidades de moléculas y átomos, por ejemplo, N2 que indica 2 moléculas de N2 y 2 átomos de Nitrógeno hacia el mundo macroscópico por la relación molar entre las cantidades de reactivos y productos expresado en moles.
En este sentido, la molécula de N2 a nivel microscópico tiene una relación molar que se expresa como 6.022 * 1023 (un mol) de moléculas de N2.
Comentarios
Publicar un comentario