tema 7. la materia. composicion y estructura.

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TEMA 7. LA MATERIA. COMPOSICION Y ESTRUCTURA.
Mario Melo Araya
Ex Profesor de la Universidad de Chile
[email protected]
MATERIA Y ESPECIES MATERIALES.
Todos los cuerpos que nos rodean, sean vivientes o no vivientes son materiales, es decir,
el espacio que ocupan, espacio dado por su volumen, es llenado por la materia. Dicho de
otro modo, la materia es el constituyente universal de todos los cuerpos. Además de ocupar
un volumen la materia tiene otras propiedades, tales como, masa, energía, presión,
temperatura, densidad, etc.
Debe admitirse, sin embargo, la existencia de una enorme variedad de especies materiales
diferentes, dadas las diferencias en propiedades, estructura y composición química que
se observa en la gran variedad de cuerpos existentes. En efecto, los diferentes cuerpos
son mezclas de diferentes especies materiales, identificables por medio del análisis
químico. Dichas especies materiales son las substancias químicas. Por ejemplo, el
nitrógeno, el oxígeno, el argón, el dióxido de carbono, el agua (vapor), etc. son substancias
gaseosas que se encuentran mezcladas en el aire.
Una de las preocupaciones de los
químicos es la de conocer la composición química de los cuerpos, así como, la composición,
estructura y propiedades de todas las substancias químicas, pues de tales conocimientos
dependerá su aprovechamiento. La composición y estructura de las sustancias químicas se
investiga, en la actualidad, empleando técnicas físico-químicas de análisis.
MATERIA Y SU ESTRUCTURA
El comportamiento que presenta la materia, en general, se explica postulando que tiene
una estructura discontinua, discreta;
es decir, una estructura constituida por
aglomeraciones de muchísimas partículas materiales muy pequeñísimas. Entre las
partículas químicamente distinguibles se tienen los átomos, las moléculas y los iones.
Las moléculas y los iones están constituidos también por átomos y los átomos, a su vez,
por partículas aún más pequeñas, indistinguibles químicamente: protones, neutrones y
electrones, considerando la estructura más simple. Las moléculas son las partículas
constituyentes de las substancias moleculares (agua, sacarosa, glucosa, etc.) y los iones,
las partículas constituyentes de las substancias iónicas, tales como, las sales por ejemplo.
Los átomos son partículas con una estructura muy compleja con un núcleo central muy
pequeño y una corteza exterior a gran distancia. El núcleo contiene un número Z de pro-
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tones y un número N de neutrones.
La suma de protones y neutrones se llama número
másico A, o sea A = Z + N. En la corteza se ubican, también, Z electrones. El
número Z se llama Número atómico y es el que identifica al átomo.
Los protones tienen una carga eléctrica positiva igual a
la carga elemental
e,
aproximadamente igual a 1.602 189 x 10-19 C. El núcleo atómico entonces tiene una
carga eléctrica igual a Ze. Los electrones extranucleares tienen la misma carga eléctrica
e, pero negativa. Por lo tanto, la carga eléctrica de la corteza es -Ze, y la del átomo
será: Ze - Ze = 0, pues en el átomo neutro el número de protones es igual al número de
electrones. Si el número de electrones es mayor o menor que Z, el átomo tendrá una carga
eléctrica negativa o positiva respectivamente. Todo átomo cargado de electricidad es un
ión. Los iones positivamente cargados se llaman cationes y los negativamente cargados,
aniones. Por ejemplo, para el átomo de Magnesio, Z = 12, tiene 12 protones y 12
electrones. Si pierde dos electrones de la corteza quedaría con una carga positiva
igual a 2e, pues
12 e - 10 e = 2 e
ión
Mg2+
Para el átomo de cloro, Z = 17. Tiene 17 protones y 17 electrones. Si gana un electrón
quedaría con una carga negativa igual a -e, pues
17 e - 18 e = - e
En general, la carga de un ión es ± z e.
ión.
ión Cl-
El número z se llama número de carga del
Por otra parte, la masa de un electrón es alrededor de 1837 veces menor que la masa del
protón o la del neutrón, por lo tanto prácticamente toda la masa del átomo se halla
concentrada en el núcleo atómico.
CANTIDAD DE MATERIA,
PARTICULAS.
CANTIDAD DE SUSTANCIA
O CANTIDAD DE
La cantidad de materia, o mejor dicho, la cantidad de partículas contenida en una
porción de materia, se expresa en moles, del mismo modo como la cantidad de manzanas
que hay en una canasta, por ejemplo, se expresa en docenas. El mol y la docena son
unidades de cantidad de elementos de un conjunto; sólo difieren en el número utilizado
en su definición. La docena utiliza el número 12, en cambio, el mol, el número 602 mil
trillones aproximadamente. Así por ejemplo, si un vaso con agua contiene 5 x 602 mil
trillones de moléculas de agua, se dice que contiene 5 moles
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de moléculas de agua; del mismo modo que si una canasta contiene 5 x 12 manzanas, se
dice que contiene 5 docenas de manzanas.
1 docena de manzanas contiene 12 manzanas
1 mol de partículas contiene 602 mil trillones de partículas
El uso de un número tan grande para definir el mol, se justifica por el hecho de que
ordinariamente se opera con montones de partículas que contienen grandes cantidades de
ellas por ser demasiado pequeñísimas. Así por ejemplo, sólo en 18 gramos de agua se
tienen, aproximadamente, 602 mil trillones de moléculas de agua (1 mol de moléculas
de agua).
Para apreciar lo extremadamente grande que es este número (y con ello la extremada
pequeñez de las partículas constitutivas de la materia) imaginar un granero que contiene
600 mil trillones (6 x 1023) de granos de trigo y que para vaciarlo se utiliza una máquina
extractora que extrae mil millones (1 x 109) de granos en cada segundo. Calcular el tiempo
que demoraría esta máquina en vaciar totalmente el granero, trabajando ininterrumpidamente,
sin parar. Respuesta: aproximadamente 19 millones de años. Com- probar esta respuesta.
Conviene señalar que no hay que confundir la cantidad de materia que tiene un cuerpo
(cantidad que se expresa en moles, milimoles, kilomoles, etc.) con la masa que tiene (masa
que se expresa en gramos, miligramos, kilogramos, etc.), pues se trata de magnitudes
físicas dimensionalmente diferentes. No es correcto, por lo tanto, definir masa como la
cantidad de materia de un cuerpo; una confusión que debe evitarse.
Considerando las distancias que separan las partículas materiales constituyentes de un
cuerpo, distancias que dependen de la temperatura y de la presión, la materia puede
presentarse en varios estados de agregación a la temperatura y presión ordinarias: los
estados sólido, líquido y gaseoso. En el estado sólido las partículas constituyentes se
encuentran tan aglomeradas que no pueden desplazarse entre sí; pero vibran en torno a sus
posiciones de equilibrio. En el estado líquido las partículas constituyentes se encuentran
más distanciadas entre sí y gozan de cierto grado de desplazamiento a través de los espacios
que las separan. En el estado gaseoso las partículas constituyentes se encuentran muy
separadas entre sí y pueden desplazarse libre y rápidamente en todas direcciones.
SUBSTANCIAS QUIMICAS
Las investigaciones relacionadas con la composición de la materia han llevado a
identificar a varios cientos de miles de especies materiales diferentes; son las substancias
químicas,
cuyas composiciones vienen dadas simbólicamente por medio de
sus
correspondientes fórmulas químicas. Por eso, por definición, una substancia química
es toda especie material de fórmula química y propiedades definidas. Algunos
ejemplos se dan en la Tabla 1
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TABLA 1
SUBSTANCIA
QUIMICA
Agua
Amoníaco
Glucosa
Oxígeno
Ozono
Cloruro de sodio
Sulfato de aluminio
Diamante
Grafito
Sodio
Etc.
FORMULA
QUIMICA
PARTICULAS
CONSTITUTIVAS
H2O
NH3
C6H12O6
O2
O3
NaCl
Al2(SO4)3
C
C
Na
moléculas de agua
moléculas de amoníaco
moléculas de glucosa
moléculas de oxígeno
moléculas de ozono
iones Na+ y iones Cliones Al3+ y iones SO42átomos de carbono
átomos de carbono
átomos de sodio
La disposición, en la red cristalina, de los átomos de carbono en el diamante es diferente a
la del grafito, lo que explica las diferentes propiedades que presentan.
Un cuerpo, o una porción de materia puede contener sólo una sustancia química (cuerpo
puro) o varias sustancias mezcladas (ver Cuadro 1)
CUADRO 1
CUERPO
CUERPO PURO
MEZCLA
Contiene sólo una sustancia
química (Pureza 100%)
Contiene dos o más sustancias
químicas en proporción variable
A la temperatura ordinaria, puede ser sólido, líquido o gaseoso
Cada componente conserva sus
propiedades individuales
Los componentes pueden separarse por procedimientos físicos
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Una mezcla puede ser homogénea o heterogénea, según que conste de una o más fases.
Toda mezcla de substancias, macroscópicamente homogénea, es una disolución o
solución. Por lo general, la substancia que se encuentra en mayor proporción se llama
disolvente o solvente y las que se encuentran en menor proporción, solutos.
Por
ejemplo, una solución de azúcar en agua, el agua es el disolvente y el azúcar, el soluto.
Generalmente se manejan expresiones cualitativas, tales como, solución concentrada o
diluída, cuando la cantidad de soluto es grande o pequeña respectivamente. Existen, no
obstante, diversas magnitudes físicas que expresan cuantitativamente la composición de
una disolución.
Tales magnitudes relacionan la cantidad de soluto con el volumen de la
solución (concentración de cantidad del soluto), o la masa de soluto con el volumen de
la solución (concentración másica del soluto), o la cantidad de soluto con la masa de
solvente (molalidad del soluto), o la masa de soluto con la masa de disolución (fracción
másica del soluto), etc. (Tema 17).
LOS COMPONENTES ELEMENTALES DE LAS SUBSTANCIAS QUIMICAS
Las investigaciones relacionadas con la composición de las substancias químicas condujeron,
por una parte, al descubrimiento de las leyes de las combinaciones químicas, según las
cuales, la composición de las substancias químicas es constante, es siempre la misma. Para
explicar estas leyes, J. Dalton propuso su Teoría Atómica en los comienzos del siglo XIX.
Por otra parte, estas investigaciones también condujeron al descubrimiento de los
componentes
primarios o elementales de todas las substancias químicas. Tales
componentes primarios son los elementos químicos. . Comparado con los cientos de
miles de substancias químicas conocidas, el número de elementos químicos es muy reducido.
Poco más de cien, de los cuales unos noventa son naturales. Una lista completa de ellos se
da en el Apéndice.
Los elementos químicos se representan por medio de símbolos, los cuales corresponden a
abreviaturas de sus nombres latinos. Es la letra inicial mayúscula del nombre latino del
correspondiente elemento. Ejemplos,
Nombre Español Nombre Latino
Potasio
Azufre
Fósforo
Etc
Kalium
Sulfur
Phosphörus
Símbolo
K
S
P
En aquellos elementos cuyos nombres latinos comienzan con la misma letra, se agrega una
segunda letra, pero minúscula. Para tales efectos se elige la letra más característica del
respectivo nombre latino. Ejemplos:
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Nombre Español
Plata Oro
Estaño
Escandio
Arsénico
Etc.
Nombre Latino
Símbolo
Argentum
Aurum
Stangnum
Scandia
Arsenicum
Ag
Au
Sn
Sc
As
Estos símbolos son reconocidos y utilizados universalmente, constituyendo una especie de
abecedario químico universal.
Los átomos de los elementos químicos se identifican por medio de su Número Atómico
Z. Por ejemplo, los átomos con Z = 11 son átomos Na; aquellos con Z = 17 son
átomos Cl, etc.. Existen tantas especies atómicas, químicamente diferentes, como
elementos químicos diferentes existen; todos ellos identificables por medio del Número
Atómico Z del elemento.
Uno de los convenios útiles adoptado por los químicos ha sido el de usar el símbolo de un
elemento para representar a 1 átomo del mismo. Por ejemplo, cuando se escribe
Na
3 Na
significa
significa
1 átomo de sodio
3 átomos de sodio
Las substancias químicas son combinaciones de átomos de un mismo elemento o de
elementos diferentes. Si los átomos combinados son de un mismo elemento se tienen
substancias simples. Si son de elementos distintos, se tienen substancias compuestas, o
compuestos químicos. En las substancias simples todos sus átomos constituyentes tienen
el mismo número atómico. Ejemplos:
SUBSTANCIA
ELEMENTO
PARTICULAS
ATOMOS
SIMPLE
COMPONENTE CONSTITUYENTES COMBINADOS EN
LA MOLECULA
Diamante
Grafito
Oxígeno natural
Ozono
Azufre rómbico
Cloro
Fósforo
Etc.
Carbono
Carbono
Oxígeno
Oxígeno
Azufre
Cloro
Fósforo
átomos C
átomos C
moléculas
moléculas
moléculas
moléculas
moléculas
O2
O3
S8
Cl2
P4
2 átomos O
3 átomos O
8 átomos S
2 átomos Cl
4 átomos P
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Por lo general, el nombre de la substancia simple coincide con el del elemento
constituyente, circunstancia desafortunada porque se presta para que se confundan, o se
consideren sinónimos, dos conceptos diferentes: elemento y substancia simple.
Las substancias compuestas o compuestos químicos son combinaciones de átomos de
elementos distintos; de átomos con distinto número atómico Z. Ejemplos:
SUBSTANCIA
COMPUESTA
ATOMOS ELEMENTOS
COMPONENTES
PARTICULAS
CONSTITUYENTES
Agua
Amoníaco
Glucosa
Dióxido de carbono
Cloruro de sodio
Sulfato de aluminio
Etc
átomos H y átomos O
átomos N y átomos H
átomos C, átomos H y átomos O
átomos C y átomos O
átomos Na y átomos Cl
átomos Al, átomos S y átomos O
moléculas H2O
moléculas NH3
moléculas C6H12O6
moléculas CO2
iones Na+ y iones Cliones Al3+ y iones SO42-
SUBSTANCIAS QUIMICAS Y FORMULAS QUIMICAS
La fórmula química de una substancia es una expresión estequiométrica de su
composición, ya que informa sobre la proporción en que se encuentran las cantidades de
sus elementos componentes. Por ejemplo, la fórmula química de la glucosa C 6H12O6,
nos informa que las cantidades (n) de carbono (nC), de hidrógeno (nH) y de oxígeno
(no) se hallan en la proporción de 6 : 12 : 6, o sea,
nc : nH : no
= 6 : 12 : 6
= 1 : 2 : 1
los subíndices numéricos de la fórmula se llaman subíndices estequiométricos.
Estructuralmente, la fórmula química de una substancia molecular es una expresión
simbólica que informa sobre la identidad y número de átomos que entran en la
composición de cada una de las moléculas constituyentes de la substancia. Ejemplos:
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SUBSTANCIA
MOLECULAR
Glucosa
Amoníaco
Clorobenceno
Agua
Etc.
FORMULA
QUIMICA
C6H12O6
NH3
C6H5Cl
H2O
NUMEROS DE ATOMOS EN
CADA MOLECULA
6 átomos C, 12 átomos H y 6 átomos O
1 átomo N y 3 átomos H
6 átomos C, 5 átomos H y 1 átomo Cl
2 átomos H y 1 ätomo O
Se puede apreciar que las cantidades de átomos C, H y O, combinados en cada molécula de
glucosa se encuentran en la proporción de 6 : 12 : 6. En la molécula de amoníaco,
las cantidades de átomos N y H se encuentran en la proporción de 1 : 3. Etc.
Otro de los convenios útiles adoptado por los químicos consiste en utilizar la fórmula
molecular de una substancia para representar a 1 molécula de la misma. Por ejemplo,
1 molécula de amoníaco
5 moléculas de amoníaco
NH3
5 NH3
En el caso de los compuestos iónicos, la fórmula química informa sobre la naturaleza de
los iones constituyentes de la substancia, así como de las cantidades mínimas de iones
necesarios para el equilibrio eléctrico. Los iones son partículas mono o poliatómicas
cargadas de electricidad. Los iones que tienen carga positiva se llaman cationes y los
que tienen carga negativa, aniones. La carga eléctrica de un ion cualquiera es
Q = ± ze
En donde z, es el número de carga del ion, es un número entero (1, 2, 3, .....) y e es
la carga elemental, cuyo valor aproximado es
e ≈ 1.602 189 x 10-19 C
La composición química y la carga eléctrica de un ion viene dada simbólicamente por
medio de su correspondiente fórmula química. Por ejemplo,
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ION
FORMULA
QUIMICA
NH4+
Ion amonio
Ion dicromato
Cr2O72-
Ion aluminio
Al3+
ATOMOS
CONSTITUYENTES
CARGA
ELECTRICA
1 átomo N y 3 átomos H
2 átomos Cr y 7 átomos O
1 átomo Al
e
-2e
3e
Etc.
-
La fórmula química de un ion, también se utiliza para representar a 1 ion, de modo que
cuando se escribe, por ejemplo, NH4+ significa 1 ion amonio; 7 NH4+ significa 7 iones
amonios; etc.
Por otra parte, todo compuesto iónico es un agregado cristalino de iones positivos y
negativos en el cual las cargas eléctricas totales se equilibran. Así por ejemplo, en una
cierta porción de sulfato de aluminio, la carga de 2 N iones Al 3+ es equilibrada por la
de 3 N iones SO42-, siendo N, un número entero y muy grande. Esta composición la
podemos representar en la forma
│Al3+│2N │SO42-│3N
Las cargas eléctricas totales positivas y negativas, de acuerdo con esta composición, serían:
Carga positiva total:
Q+
= 2 N (+ 3 e)
= + 6Ne
Carga negativa total:
Q-
= 3 N (- 2 e)
= - 6Ne
Las que sumadas, se anulan:
Q+
+
Q-
= + 6Ne - 6Ne
= 0
Lo que significa, equilibrio eléctrico.
De acuerdo con esta composición, es posible apreciar que en cualquier porción de sulfato
de aluminio, por cada dos iones aluminio hay tres iones sulfatos. Estas cantidades son las
mínimas necesarias para el equilibrio eléctrico. Precisamente, esta información es la que se
expresa, simbólicamente por medio de la fórmula química Al2(SO4)3
En general, para los compuestos iónicos se utiliza la expresión estequiométrica unidad
fórmula (UF) para designar a la cantidad mínima de iones necesaria para el equilibrio
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eléctrico. Se representa por la fórmula química del compuesto. De este modo, en el caso
del sulfato de aluminio por ejemplo, en lugar de decir que en una cierta porción de sulfato
2-
de aluminio existen 2N iones Al3+ y 3N iones SO4 , también puede decirse que en
dicha porción existen N unidades fórmula
estrictamente estequiométrico.
Al2(SO4)3, desde
un punto de vista
Este enfoque, bastante cómodo para la operatoria estequiométrica, induce a considerar a
las unidades fórmula como las partículas elementales
constitutivas reales
de los
compuestos iónicos (como las moléculas en los compuestos moleculares). Sin embargo,
debe tenerse muy en cuenta que tal enfoque es sólo un criterio cómodo para la operatoria
estequiométrica, nada más. Como se dijo anteriormente, las entidades elementales o
partículas constitutivas reales de este tipo de compuesto, son los iones.
Las determinaciones de las fórmulas químicas se consiguen por medio del análisis químico
de las substancias. El análisis cualitativo permite identificar a los elementos constituyentes y el análisis cuantitativo, permite hallar la proporción en que se encuentran las
cantidades de dichos elementos en el compuesto; o lo que es lo mismo, permite hallar los
valores de los subíndices estequiométricos. Ver Tema 16.
Los compuestos químicos, por ser substancias compuestas pueden descomponerse en otras;
hecho que no ocurre con las substancias simples. Estos hechos permiten identificar y
también definir los conceptos de substancia compuesta y de substancia simple Por ejemplo,
la descomposición térmica del óxido rojo de mercurio (substancia compuesta) en mercurio
metálico (substancia simple) y oxígeno gaseoso (substancia simple):
2 HgO
→
2 Hg +
O2
o la descomposición electrolítica del agua (substancia compuesta) en hidrógeno y oxígeno
gaseosos (substancias simples)
2 H2O
→
2 H2
+
O2
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APENDICE: NUMERO ATOMICO, NOMBRE Y SIMBOLO DE LOS ELEMENTOS
Z
NOMBRE
SIMBOLO
Z
NOMBRE
Ac
13 Aluminio
Al
3
Litio Lutecio
Li
95 Americio
Am
71
Magnesio
Lu
51 Antimonio
Sb
12
Manganeso
Mg
18 Argón
Ar
25
Mendelevio
Mn
33 Arsénico
As
101 Mercurio
85 Astato
At
80
Molibdeno
Hg
16 Azufre
S
42
Neodimio
Mo
56 Bario
Ba
60
Neón
Nd
4
Be
10
Neptunio
Ne
97 Berkelio
Bk
93
Niobio
Np
83 Bismuto
Bi
41
Níquel
Nb
5
B
28
Nitrógeno
Ni
Br
No
Ca
7
Nobelio
102 Oro
79 Osmio
Cf
76
Oxígeno
Os
Berilio
Boro
35 Bromo
48 Cadmio
20 Calcio
98 Californio
6
Cd
103 Lawrencio
SIMBOLO
89 Actinio
Lw
Md
N
Au
C
8
Paladio
O
58 Cerio
55 Cesio
Ce
46
Plata
Pd
Cs
47
Platino
Ag
30 Cinc
40 Circonio
Zn
78
Plomo
Pt
Zr
82
Plutonio
Pb
17 Cloro
27 Cobalto
Cl
94
Polonio
Pu
Co
84
Potasio
Po
Cu
19
Praseodimio
K
Kr
59
Prometio
Pr
Pm
Carbono
29 Cobre
36 Criptón
24 Cromo
96 Curio
Cr
61
Protactinio
Cm
91
Radio
Pa
66 Disprosio
99 Einsteinio
Dy
88
Radón
Ra
Es
86
Renio
Rn
68 Erbio
21 Escandio
Er
75
Rodio
Re
Sc
45
Rubidio
Rh
50 Estaño
38 Estroncio
Sn
37
Rutenio
Rb
Sr
44
Samario
Ru
63 Europio
100 Fermio
Eu
62
Selenio
Sm
Fm
34
Silicio
Se
F
14
Sodio
Si
P
11
Talio
Na
Fr
81
Tántalo
Tl
64 Gadolinio
31 Galio
Gd
73
Tecnecio
Ta
Ga
43
Teluro
Tc
32 Germanio
72 Hafnio
Ge
52
Terbio
Te
Hf
65
Titanio
Tb
2
Helio
He
22
Torio
Ti
1
Hidrógeno
H
90
Tulio
Th
Fe
69
Tungsteno
Tm
Ho
74
Uranio
W
49 Indio
77 Iridio
In
92
Vanadio
U
Ir
23
Xenón
V
70 Iterbio
39 Itrio
Yb
54
Yodo
Xe
Y
53
57 Lantano
La
9
Fluor
15 Fósforo
87 Francio
26 Hierro
67 Holmio
I
12