UD2. Teoría atómico-molecular de la materia
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UD2. Teoría atómico-molecular de la materia UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 1. El modelo cinético de los gases 2. Modelo atómico-molecular de la materia 2.1. Principios del modelo 2.2. Sólidos, líquidos y gases 2.3. Elementos y compuestos 2.4. Símbolos y fórmulas 3. Átomos, moléculas y estructuras gigantes 3.1. Estructura del átomo 3.2. Número atómico y número másico 3.3. Moléculas 3.4. Tabla periódica de elementos 3.5. Formulación y nomenclatura 3.6. Sustancias importantes en la vida diaria 4. Reacciones químicas 4.1. Cambios físicos y cambios químicos 4.2. Teoría de colisiones 4.3. Ley de conservación de la masa 4.4. Ecuaciones químicas 4.5. Ajuste de reacciones 1 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 1. El modelo cinético de los gases Cuando la luz del sol pasa a través de las rendijas de una persiana, se ve una gran cantidad de partículas muy pequeñas que parece que flotan en el aire. ¿Te has fijado alguna vez en este fenómeno? ¿Cómo se puede explicar que las partículas suspendidas en el aire no caigan? La explicación que se acepta hoy en día es que la materia está formada por partículas. Las que vemos tras la persiana son partículas grandes pero alrededor hay partículas pequeñas que no vemos. Éstas se mueven desordenadamente y al chocar con la grande hacen que se mueva. De esta forma, las partículas de aire (pequeñas) son las que hacen que se muevan las otras partículas que parecen estar suspendidas en el aire. En 1905 Einstein aplicó la teoría cinética al movimiento browniano de una partícula pequeña inmersa en un fluido. Sus postulados ecuaciones fueron confirmados por los experimentos posteriores convenciendo a la comunidad científica de la realidad de los átomos. La teoría cinética de los gases utiliza una descripción molecular para explicar el comportamiento macroscópico de la materia: Puedes ver el efecto (movimiento browniano) en esta animación: (Pincha en la imagen) Principios del modelo cinético: Los gases están formados por partículas en constante movimiento en línea recta y al azar. Este movimiento cambia cuando las partículas chocan entre sí o con las paredes del recipiente. Normalmente las partículas de los gases están chocando constantemente. Entre las partículas de un gas no existen fuerzas atractivas ni repulsivas Entre las partículas hay espacio vacío, sin masa. Las partículas están muy separadas, lo que justifica una propiedad de los gases, su fácil compresibilidad (cambio de volumen al ejercer presión). Por eso el volumen de las partículas se considera despreciable comparado con el volumen del gas El movimiento de las partículas depende de la temperatura, de forma que al aumentar la temperatura se mueven más deprisa. Las partículas del gas se expanden rápidamente ocupando todo el recipiente. Contesta ¿Cuál es la razón de que un ventilador haga que te sientas más fresco en un día caluroso? 2 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 2. Modelo atómico-molecular de la materia La Teoría Atómico Molecular actual, nos sirve de modelo para interpretar los fenómenos microscópicos de la materia. De acuerdo con la teoríatoda la materia está formada por partículas en continuo movimiento, entre las que no hay nada, sólo espacio vacío. Pero, ¿cómo una misma sustancia puede presentar aspectos tan distintos como cuando se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso? Si las partículas son iguales la única explicación es que en cada estado las partículas se disponen de manera diferente: Las partículas de los sólidos se encuentran muy próximas y las fuerzas de atracción entre ellas son muy fuertes. Las partículas de los líquidos se encuentran próximas y las fuerzas de atracción entre ellas son fuertes . Las partículas de los gases se encuentran muy separadas entre sí y las fuerzas de atracción entre ellas son muy débiles casi nulas. 3 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 4 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 2.1. Principios del modelo Hasta comienzos del siglo XIX, la teoría atómica era principalmente filosófica y no estaba fundada en la experimentación científica. Las primeras teorías conocidas se desarrollaron en la Antigua India en el siglo VI a. C. por filósofos hindúes y budistas. El primer filósofo que formuló ideas sobre el átomo de una manera sistemática fue Kanada. El físico y químico británico John Dalton propuso a principios del siglo XIX los fundamentos de la teoría atómica, aportando así las bases para el rápido desarrollo de la química moderna. Propuso en 1808 que las partículas que forman las sustancias eran divisibles porque estaban formadas por otras partículas todavía más pequeñas llamadas átomos. Fue el origen de la teoría atómico-molecular. Las ideas básicas de la teoría atómico-molecular, actualmente, son: La materia está formada por pequeñas partículas en constante movimiento que pueden ser átomos, moléculas o iones, con espacios entre ellas. Los átomos de un mismo elemento (por ejemplo, de oxígeno) son todos idénticos y poseen las mismas propiedades. Las moléculas se forman mediante la unión de átomos en unas proporciones constantes (por ejemplo agua, 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno). En la unión de los átomos para formar moléculas influyen los fenómenos eléctricos. Las partículas de una sustancia pura (normalmente moléculas) son todas ellas iguales entre sí y diferentes a las de otra sustancia. Las moléculas de un elemento o sustancia pura simple se forman con átomos idénticos del mismo elemento. Las moléculas de un compuesto o sustancia pura compuesta están formadas por átomos de dos, o más, elementos diferentes. En los gases, las partículas están separadas por distancias muy grandes en comparación con su tamaño; en los líquidos las distancias son más cortas y, en los sólidos, son tan pequeñas que solamente se producen pequeños movimientos (vibratorios). Las fuerzas entre las partículas son prácticamente nulas en los gases, pequeñas y variables en los líquidos y grandes e intensas en los sólidos. Completa estado líquido El estado gaseoso estado sólido se caracteriza porque sus partículas están próximas con movimiento libre. En el las partículas están distantes con movimiento libre. Y en el las partículas están ordenadas en posiciones fijas. 5 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 2.2. Sólidos, líquidos y gases De acuerdo con la teoría atómico-moleculartoda la materia está formada por partículas en continuo movimiento, entre las que no hay nada, sólo espacio vacío. Pero, ¿cómo una misma sustancia puede presentar aspectos tan distintos como cuando se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso? Si las partículas son iguales la única explicación en que en cada estado las partículas se disponen de manera diferente: Las partículas de los sólidos se encuentran muy próximas, y las fuerzas de atracción entre ellas son muy intensas. Su único movimiento es el de vibración. Las partículas de los líquidos vibran y forman conglomerados que se desplazan unos respecto a otros. Las partículas de los gases se encuentran muy separadas entre sí, y se mueven a grandes velocidades, prácticamente libres de fuerzas de atracción. Entra en las tres simulaciones siguientes correspondientes a cada uno de los dos estados. Fíjate en que en el estado sólido las partículas apenas se mueven, oscilando ligeramente, y en que están muy cerca entre sí formando una estructura muy ordenada. Sin embargo, en el estado líquido las partículas se mueven más, desplazándose por el recipiente, y están menos ordenadas. En ambos casos se aprecia que al aumentar la temperatura se incrementa el movimiento de las partículas, aunque mucho menos que en los gases. En el estado gaseoso las partículas se mueven de forma desordenada, con choques entre ellas y con las paredes del recipiente que los contiene. Esto explica las propiedades de expansibilidad y compresibilidad que presentan los gases. En las simulaciones anteriores hemos visto las características fundamentales de la situación de las partículas en los tres estados físicos, y se resumen en la siguiente tabla. Sólido Líquido Gas Partículas ordenadas Partículas desordenadas Partículas desordenadas Cercanas entre sí Cercanas entre sí Muy lejanas entre sí Velocidad casi nula Velocidad pequeña Velocidad muy grande Atracción fuerte Atracción media No se atraen Completa el texto Según el modelo atómico-molecular: Toda la materia, gases, líquidos y sólidos, está constituida por entidades denominadas . Las partículas tienen masa pero son demasiado pequeñas para poder ser observadas. Entre las partículas no hay nada, sólo . La distancia entre las partículas es mucho mayor en el caso de los que en el de los líquidos y los . Las partículas están en continuo movimiento. En los gases se mueven en todas direcciones, en los líquidos se mueven libremente desplazándose unas respecto a otras, pero no pueden separarse, mientras que en los sólidos también se mueven, pero sólo en torno a posiciones fijas. Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío Seleccione un valor gases sólidos vibrando libremente partículas vacío 2.3. Elementos y compuestos 6 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Según Dalton las partículas están formadas por átomos, que son las unidades de materia más pequeña que existe. Se conocen actualmente 118 átomos diferentes, aunque son los primeros 93 los más conocidos ya que se encuentran en la naturaleza y el resto son sintéticos. Estos 93 átomos al combinarse entre sí en proporciones diferentes forman sustancias distintas. Representación de una partícula (molécula) de agua (Autor: Traleo, licencia Creative Commons) Por ejemplo, la partícula de agua está formada por dos tipos de átomos, de hidrógeno y de oxígeno. Pero no en cualquier proporción; en cada partícula de agua hay dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. El agua es un compuesto químico (o sustancia compuesta) porque está formada por distintos tipos de átomos. La partícula de agua está formada por tres átomos, dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Por eso decimos que el agua es un compuesto (o sustancia compuesta) que representamos por la fórmula química H2O. 7 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Otra sustancia importante para la vida es el oxígeno de la atmósfera. La partícula de oxígeno está formada por dos átomos pero, a diferencia del agua, los dos átomos son del mismo tipo, los dos son de oxígeno. El oxígeno atmosférico es un elemento químico (o sustancia simple) porque está formado por átomos iguales. Representación de una partícula (molécula) de oxígeno atmosférico (Cedida por el autor; dominio público) La partícula de oxígeno está formada por dos átomos, los dos iguales de oxígeno. Por eso decimos que el oxígeno es un elemento (o sustancia simple) que representamos por la fórmula química O2. El esquema de la clasificación de la materia puede quedar así: Elige la correcta El número de tipos de átomos que conocemos es: Ilimitado De 118 De 92 Depende de las condiciones 2.4. Símbolos y fórmulas 8 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Hemos visto que ... Un elemento químico es toda sustancia cuya partícula característica tiene todos los átomos iguales entre sí. Se representa con un símbolo químico. Por ejemplo Fe. En las partículas de los elementos unas veces hay un solo átomo, como en el helio, o los átomos se agrupan de dos en dos como en el nitrógeno o de ocho en ocho como en el azufre. Además es muy habitual que en los juegos de mesa, o en los crucigramas, se pregunte el nombre o el símbolo de algún elemento. Y está bien saber y responder a esas preguntas de cultura general. En la representación actual cada elemento tiene un nombre y se representa con un símbolo. Verás que el símbolo de un elemento tiene una o dos letras (la primera siempre mayúscula, la segunda minúscula). Símbolos primitivos de elementos Normalmente son las iniciales de su nombre en español (C, carbono; Cl, cloro, Li, litio) o en latín (S, azufre -de sulphur- , Ag, plata -de argentum -). Un compuesto químico es toda sustancia cuya partícula característica tiene átomos diferentes entre sí. Se representa con una fórmula química. Por ejemplo H2O. En los compuestos necesariamente hay átomos diferentes (en el amoniaco, de nitrógeno e hidrógeno; en el ácido clorhídrico, de hidrógeno y de cloro). Además sabemos que cada partícula de amoniaco tiene cuatro átomos, uno de nitrógeno y tres de hidrógeno, por lo que la fórmula para representar el amoniaco será NH3. Y que cada partícula de ácido clorhídrico tiene dos átomos, uno de hidrógeno y otro de cloro, por eso su fórmula será HCl. Representación de una partícula de amoniaco (NH3) Representación de una partícula de ácido clorhídico (HCl) Elige la correcta El símbolo del elemento plata es: Hg Ag Au Pt Elige la correcta La fórmula del hidrógeno gaseoso será: 9 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia O2 H2O NH3 H2 10 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 3. Átomos, moléculas y estructuras gigantes Las partículas que forman las sustancias pueden ser átomos libres, moléculas, o estructuras gigantes. Átomos libres. Los átomos pueden permanecer libres, sin unirse entre ellos. Se considera que cada átomo es una partícula independiente. Solamente se da esta circunstancia en los gases nobles como helio, neón y argón, utilizados en iluminación. Moléculas. Se trata de agrupaciones de átomos unidos entre sí. Podemos encontrar moléculas de dos átomos o de millones, pero siempre distribuidos de la misma forma para cada sustancia. Hay moléculas de átomos iguales como las de oxígeno (O2), pero la mayoría son de átomos distintos, como en el agua (H2O) o en la glucosa (C6H12O6). Estructuras gigantes. Son agrupaciones de átomos que casi no tienen límite. Son estructuras muy ordenadas, cristalinas. La unión entre los átomos se repite y se repite y cuantos más átomos mayor es la estructura. Los átomos pueden ser iguales, como en el diamante (C) o en los metales. Y pueden ser diferentes como sucede en la sal común (NaCl) o en la sílice (SiO 2). Cuando hay átomos diferentes, su proporción es fija en cada sustancia. En un mineral de sílice, siempre habrá el doble de átomos de oxígeno que de silicio. 3.1. Estructura del átomo 11 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia En 1911, Rutherford propuso una visión revolucionaria del átomo. Sugirió que el átomo consistía de un pequeño y denso núcleo de partículas cargadas positivamente en el centro (o núcleo) del átomo, rodeado de un remolino de electrones. El átomo de Rutherford se parecía a un pequeño sistema solar con el núcleo (el sol) y con los electrones (los planetas) girando alrededor del núcleo. Las partículas cargadas positivamente en el núcleo del átomo fueron denominadas protones. Los protones son mucho más grandes y pesados que los electrones. En 1932, James Chadwick descubrió un tercer tipo de partícula atómica a la que llamó el neutrón. Como el núcleo es una masa muy compacta, los protones cargados positivamente tienden a rechazarse entre ellos. Los neutrones ayudan a estabilizar los protones en el núcleo del átomo. Los neutrones siempre residen en el núcleo de los átomos y son aproximadamente del mismo tamaño que los protones. Sin embargo, los neutrones no tienen carga eléctrica, son eléctricamente neutros. Los átomos son eléctricamente neutros porque el número de protones (cargas +) es igual al número de electrones (cargas -). De esta manera se neutralizan. En átomos grandes, el número de protones aumenta, y también aumenta el número de electrones en el estado Representación de un átomo de litio: 3 neutro del átomo. protones, 4 neutrones, 3 electrones Resumiendo la estructura básica del átomo: Cada átomo está formado por un núcleo pequeño y denso con protones (carga +) y neutrones (sin carga. La corteza del átomo está formada por electrones (carga -) girando alrededor del núcleo. Casi toda la masa está en el núcleo entre los protones y los neutrones. Un átomo es eléctricamente neutro por lo que debe tener las mismas cargas positivas que negativas. Por eso en cualquier átomo el número de protones será igual al número de electrones. Elige las correctas Las partículas del átomo o subatómicas son tres: electrón, protón y neutrón. De las siguientes afirmaciones sobre ellas, cinco son correctas. Selecciónalas. 12 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia La partícula más pequeña es el neutrón La partícula responsable de la corriente eléctrica es el protón Las partículas que mantienen unidos a los núcleos son los neutrones El protón tiene la misma masa que el electrón El electrón tiene carga negativa El neutrón es tan pesado como el protón El electrón no forma parte del núcleo atómico El protón no tiene carga El electrón gira alrededor del núcleo La primera partícula que se descubrió fue el protón 3.2. Número atómico y número másico La clasificación de los distintos tipos de átomos se realiza en función del número de protones que hay en su núcleo; a este número se le conoce como número atómico y se representa con la letra Z. Como el átomo es neutro, el número atómico también nos indica el número de electrones del átomo. Todos los átomos con el mismo número atómico pertenecen a un mismo elemento, y como sabes tienen un símbolo que consiste en una o dos letras derivadas del nombre latino del mismo. Pincha en la imagen para ver las animaciones de dos átomos. El primero de Hidrógeno, el segundo de Helio. Ahora bien, no todos los átomos de un mismo elemento son iguales, ya que puede variar el número de neutrones que tienen. Para distinguirlos se introduce el número másico, que se representa con la letra A e indica la masa del átomo. El número másico es igual al número de protones (Z) más el de neutrones (N), es decir, al número total de partículas del núcleo del átomo. 13 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Número atómico (Z) es el número de protones de un átomo. Número másico (A) es la suma del número de protones (Z) y el número de neutrones (N) de un átomo. A = Z + N. Todos los átomos de un mismo elemento químico (tabla periódica) tienen el mismo número atómico pero pueden tener distinto número másico, al tener distinto numero de neutrones. Los isótopos se nombran con el nombre del elemento seguido de su número másico (A), separados habitualmente por un guión. Ejemplos: carbono-14, uranio-238. En forma simbólica, el número másico se añade como superíndice a la izquierda del símbolo químico. Ejemplo: 3H (hidrógeno-3); isótopo del hidrógeno (conocido como tritio) con 1 protón (Z=1), 2 neutrones (N=2); por tanto número másico A = 1 + 2 = 3. La forma completa de representar un átomo de cualquier elemento es: X : Símbolo del elemento A : Número másico; A = protones + neutrones; A = Z + N Z : Número atómico: Z = protones Realiza Construye los 5 átomos que te propongan en la web. Observa cada átomo construido (con números atómico y másico) y su composición de protones, electrones y neutrones correcta. Observa tu puntuación sobre el máximo de 100 puntos. 3.3. Moléculas La molécula es la menor porción de una sustancia que puede existir en estado libre y conservar las propiedades de dicha sustancia. Por ejemplo, la menor porción de agua que puede existir en estado libre y conservar las propiedades del agua es la formada por 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno. La molécula es una estructura formada a partir de la unión de dos o más átomos. Una molécula es un grupo formado por un número concreto de átomos, mínimo dos, máximo miles de átomos. Por ejemplo, la molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido a dos de hidrógeno (H2 O), mientras que en la de amoniaco hay un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno (NH3). Hay moléculas en la que los átomos son iguales, como en la de oxígeno (O2), formada por dos átomos de oxígeno unidos entre sí. A temperatura ambiente hay moléculas sólidas (cloruro de sodio o sal común), líquidas (agua) y gaseosas (dióxido de carbono). La materia está formada por partes muy pequeñas llamadas átomos. Los átomos se reúnen para constituir moléculas. A su vez, las moléculas iguales se unen para formar sustancias puras. Moléculas distintas formarán mezclas de sustancias. 14 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia El agua, el suelo y el aire no tienen vida. Pertenecen al mundo mineral o inorgánico. La materia que forma el agua, suelo y aire se llama materia inorgánica. Y la materia inorgánica está formada por moléculas inorgánicas. Estas comprenden muchos compuestos químicos que, en general, se encuentran en la naturaleza como minerales. Moléculas inorgánicas Moléculas orgánicas Las plantas, los humanos, los animales, entre otros, pertenecen al mundo de los seres vivos. La materia que los forma se llama materia orgánica. Y la materia orgánica está formada por moléculas orgánicas con una característica especial; todas tienen átomos de carbono e hidrógeno. Algunas moléculas orgánicas también tienen átomos de oxígeno y nitrógeno. Realiza Construye las 10 moléculas que te propone el ejercicio desde la más simple, el oxígeno, hasta la más compleja, la glucosa, a partir de su composición atómica. 3.4. Tabla periódica de elementos 15 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Los 118 elementos químicos conocidos están organizados por la comunidad científica en la tabla periódica de los elementos. La tabla clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos químicos, conforme a sus propiedades y características. La organización de los elementos en la tabla periódica obedece a unos criterios controlados por la comunidad química: Los elementos están ordenados del 1 (Hidrógeno) a 118 (Unonoctio). El criterio de ordenación es por su número atómico. El nº de cada elemento coincide con su número atómico, Z. Por ejemplo, el oxígeno es el nº 8; luego cada átomo de oxígeno tendrá 8 protones en el núcleo atómico. Cada elemento está colocado en la tabla para que pertenezca a una fila y columna concreta. A las columnas verticales de la tabla periódica se les conoce como grupos. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen características o propiedades químicas similares entre sí (familias químicas). Hay 18 grupos. Las filas horizontales de la tabla periódica son llamadas períodos. Cada periodo agrupa los elementos según su número atómico creciente. Hay 7 períodos. Grupo 1 Periodo 1 1 H 3 2 Li 11 3 Na 19 4 K 37 5 Rb 55 6 Cs 87 7 Fr 2 3 4 5 4 Be 12 Mg 20 21 22 23 Ca Sc Ti V 38 39 40 41 Sr Y Zr Nb 56 72 73 * Ba Hf Ta 88 104 105 ** Ra Rf Db 57 58 59 Lantánidos * La Ce Pr 89 90 91 Actínidos ** Ac Th Pa 6 24 Cr 42 Mo 74 W 106 Sg 60 Nd 92 U 7 25 Mn 43 Tc 75 Re 107 Bh 61 Pm 93 Np 8 26 Fe 44 Ru 76 Os 108 Hs 62 Sm 94 Pu 9 27 Co 45 Rh 77 Ir 109 Mt 63 Eu 95 Am 10 28 Ni 46 Pd 78 Pt 110 Ds 64 Gd 96 Cm 11 29 Cu 47 Ag 79 Au 111 Rg 65 Tb 97 Bk 12 30 Zn 48 Cd 80 Hg 112 Cn 66 Dy 98 Cf 13 5 B 13 Al 31 Ga 49 In 81 Tl 113 Uut 67 Ho 99 Es 14 6 C 14 Si 32 Ge 50 Sn 82 Pb 114 Uuq 68 Er 100 Fm 15 7 N 15 P 33 As 51 Sb 83 Bi 115 Uup 69 Tm 101 Md 16 8 O 16 S 34 Se 52 Te 84 Po 116 Uuh 70 Yb 102 No 17 9 F 17 Cl 35 Br 53 I 85 At 117 Uus 71 Lu 103 Lr 18 2 He 10 Ne 18 Ar 36 Kr 54 Xe 86 Rn 118 Uuo Alcalinos Alcalinotérreos Metales de transición Metaloides No metales Halógenos Gases nobles (Tabla periódica deWikipedia. puedes pinchar en cada elemento para ver sus propiedades) En esta tabla periódica podemos distinguir tipos de elementos agrupados en función de algunas de sus propiedades: Gases Nobles. Son los elementos del último grupo (grupo 18): Se encuentran en la naturaleza aislados ya que no forman compuestos con otros elementos. No metales. Son unos pocos elementos (unos 20) situados a la derecha de la tabla. Son malos conductores del calor y la electricidad. Sus átomos tienden a captar electrones. Halógenos. Son los no metales que forman el grupo 17. Metaloides o semimetales. Son 7 elementos con propiedades son intermedias entre los metales y los no metales Metales. Ocupan el centro e izquierda de la tabla. Son buenos conductores del calor y la electricidad. Sus átomos tienden a ceder electrones. Alcalinos. Son metales del grupo 1 excepto de hidrógeno. Alcalinotérreos. Son metales del grupo 2. Metales de transición. La gran mayoría del centro de la tabla. Lantánidos y Actínidos. También conocidos como "tierras raras". Forman parte del grupo 3 y de los periodos 6 y 7. Son importantes el Uranio y el Plutonio como combustibles nucleares. Completa 16 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia número másico grupos períodos halógenos períodos alcalinotérreos número atómico grupos En la tabla periódica los elementos están ordenados por su . A las columnas verticales se les conoce como . A las filas horizontales se les conoce como . Los elementos que presentan propiedades químicas similares (familias químicas) están en los Los metales del grupo 2 se llaman Los no metales del grupo 17 se llaman . . . 3.5. Formulación y nomenclatura 17 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia En la Naturaleza existen millones de sustancias, en su mayoría compuestos químicos. A medida que se han ido conociendo, surgió la necesidad de dar el mismo nombre y fórmula a la misma sustancia. Se empezó a desarrollar la formulación y nomenclatura química. La formulación es un lenguaje que nos permite comunicarnos y saber de qué sustancia, elemento o compuesto, estamos hablando. Las fórmulas químicas y sus nombres correspondientes nos pueden dar una idea de la estructura de las sustancias e informarnos de la clase de átomos (elementos) que forman el compuesto y su proporción. Lo vemos en la siguiente tabla: Nombre químico Fórmula Estructura química Elementos del compuesto Proporción Número de átomos Agua u Óxido de hidrógeno (molécula) H2O Elemento hidrógeno (H) Elemento oxígeno (O) 2 átomos de hidrógeno 1 átomo de oxígeno Cloruro de sodio (estructura gigante) NaCl Elemento sodio (Na) Elemento cloro (Cl) n átomos de cloro n átomos de sodio H2 Elemento hidrógeno (H) 2 átomos de hidrógeno Elemento cloro (Cl) Elemento hidrógeno (H) 1 átomo de cloro 1 átomo de hidrógeno Elemento carbono (C) Elemento oxígeno (O) 1 átomo de carbono 2 átomos de oxígeno Dihidrógeno (molécula) Ácido clorhídico o Cloruro de hidrógeno HCl (molécula) Dióxido de carbono o Óxido de carbono (IV) (molécula) CO2 Para empezar con la formulación química conviene tener claros los siguientes conceptos: La fórmula química es una representación de las partículas (molécula o estructura gigante) de una sustancia. La fórmula de una sustancia nos da información acerca de la clase de átomos que la forman y su proporción con símbolos y subíndices. Por ejemplo la fórmula del agua, H2O, (si no hay subíndice se sobreentiende que es 1) indica que cada molécula de agua está formada por átomos de hidrógeno y oxígeno, en la proporción de 2 átomos de H por 1 átomo de O. El nombre químico es el nombre técnico de la sustancia siguiendo un conjunto de reglas mediante las que se nombran todas las sustancias químicas. Una sustancia puede tener varios nombres químicos pero todos corresponden a la misma fórmula. Por ejemplo el NH3 se puede nombrar como amoniaco, trihidruro de nitrógeno o hidruro de nitrógeno (III). La valencia de un elemento es un número que indica la capacidad de sus átomos de combinarse con otros átomos para formar moléculas. La valencia del Hidrógeno es 1, ya que tiene un solo electrón. La valencia de un elemento químico es el número de átomos de hidrógeno con los que se puede combinar. Ejemplo, el Cloro tiene las valencias 1, 3, 5 y 7. Se podrá combinar con 1, 3, 5 o 7 átomos de Hidrógeno según cada caso. Elige la correcta Una molécula de amoniaco, NH3, tendrá en total: 2 átomos 3 átomos 4 átomos 5 átomos 18 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 3.6. Sustancias importantes en la vida diaria Estamos formados por sustancias químicas. Nuestro cuerpo tiene miles de sustancias químicas distintas, sobre todo sustancias orgánicas, pero sobresale una muy simple, el agua. Aproximadamente las tres cuartas partes de nuestro peso corporal son agua. También tenemos sales y otras sustancias inorgánicas. Vamos a nombrar y formular algunas sustancias simples e importantes en nuestra vida diaria: Óxidos. Los óxidos son las combinaciones del oxígeno (con valencia 2) con otros elementos. En la fórmula del óxido se escribe primero el símbolo del otro elemento y después el del oxígeno. Hidruros. Son combinaciones del hidrógeno (valencia 1) con otros elementos. Cloruros. Son combinaciones del cloro (valencia 1) con otros elementos. Sulfuros. Son combinaciones del azufre (valencia 2) con otros elementos. 19 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Formula Nombres Propiedades H2O Agua Óxido de hidrógeno Es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida. Sustancia muy abundante mezclada con sales en los mares. H2O2 Agua oxigenada Peróxido de hidrógeno En disolución acuosa se emplea como desinfectante y para blanquear fibras. SO2 Dióxido de azufre Óxido de azufre (IV) Es liberado en muchos procesos de combustión de carbón, el petróleo, el diésel o el gas natural causando la lluvia ácida. CO2 Dióxido de carbono Óxido de carbono (IV) Gas que se origina en todas las combustiones y en la respiración de los seres vivos. Existe en la atmósfera. Forma con el agua las bebidas carbónicas. SiO2 Sílice Dióxido de silicio Óxido de silicio (IV) Sólido muy duro. Se encuentra en la Naturaleza en forma de cuarzo. Es un componente de la arena que se emplea para fabricar vidrio. CaO Cal viva Óxido de calcio (II) Sólido que disuelto en agua se utiliza para pintar las paredes. Fe2O3 Trióxido de dihierro Óxido de hierro (III) Sólido que se presenta en la naturaleza en forma de oligisto o hematites (minerales). de ahí se obtiene el hierro y el acero tan importantes en nuestra sociedad. NH3 Amoniaco Trihidruro de nitrógeno Hidruro de nitrógeno (III) Gas picante que disuelto en agua se emplea para la limpieza doméstica y para fabricar abonos. CH4 Metano Tetrahidruro de carbono Hidruro de carbono (IV) Es el componente principal del gas natural, importante combustible. En las minas de carbón forma el "gas grisú" que ocasiona frecuentes explosiones y derrumbes. HCl Ácido clorhídico Cloruro de hidrógeno Gas de olor irritante que disuelto en agua forma el ácido más utilizado en los laboratorios. De él derivan los cloruros NaCl Cloruro de sodio Sólido muy extendido en la naturaleza, es la sal común; de él se obtiene los elementos sodio y cloro. H2S Ácido sulfhídrico Sulfuro de hidrógeno Gas maloliente que se forma en las putrefacciones de productos orgánicos (olor a huevos podridos). Da lugar a los sulfuros. HgS Sulfuro de mercurio (II) Cinabrio Es un mineral del que se extrae el mercurio. España (Almadén) posee las minas de cinabrio más importantes del mundo. NaOH Hidróxido de sodio Sosa caústica Sólido muy corrosivo y peligroso. Puede producir quemaduras en la piel, ojos, etc. Tiene muchos usos industriales como fabricar papel, jabones, colorantes, etc. H2SO4 Ácido sulfúrico Líquido muy importante en los laboratorios y en fabricación de abonos, refinado del petróleo, explosivos, plásticos, etc. Origina unas sales llamadas sulfatos. 20 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 4. Reacciones químicas Una reacción química es todo proceso químico en el cual dos o más sustancias (llamadas reactivos), por diversas causas, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Tanto los reactivos como los productos pueden ser elementos o compuestos. Las reacciones químicas ocurren constantemente en la naturaleza, pero también podemos reproducirlas en nuestros laboratorios. Por eso podemos estudiarlas para mejorar las condiciones del proceso y provocar la aparición de nuevos productos. Algunas veces es difícil delimitar cuando se está produciendo una reacción química, otras es muy sencillo. Pero siempre debemos tener en cuenta algunos hechos que acompañan a las reacciones químicas. A lo largo de la reacción pueden aparecer sustancias nuevas, sólidas, líquidas o gaseosas de diferente color a las iniciales o cambios de temperatura en el recipiente, se calienta apreciablemente o se enfría. Se conocen millones de reacciones químicas; unas son interesantes para los procesos industriales, otras son indispensables para los seres vivos. Pero ¿qué ocurre realmente en una reacción química? Podemos observar la reacción a nivel macroscópico, en el mundo de lo visible. Pero para explicar lo que pasa a nivel microscópico, en el mundo molecular, deberemos ayudarnos del modelo atómico-molecular de la materia. Un ejemplo de reacción química es la que se produce al introducir una placa de Cobre (Cu) en una disolución de Nitrato de plata (disolución incolora). Los productos de la reacción son Plata (Ag) que se deposita sobre la placa y Nitrato de cobre que se aprecia por el cambio de color de la disolución (pasa de incolora a azul). Animación de la reacción: Nitrato de plata (disolución acuosa) + Cobre (sólido) cobre (disolución acuosa) Plata (sólido) + Nitrato de 4.1. Cambios físicos y cambios químicos 21 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia La materia está continuamente sometida a cambios. Si doblamos o arrugamos un papel o si lo quemamos. Si hervimos agua líquida pasando a vapor de agua. Si rompemos una barra de hierro o la dilatamos al aplicarle calor. Si echamos azúcar en agua para formar una disolución o en ácido sulfúrico. Pero en unos cambios las sustancias mantienen sus propiedades y en otros no. Cambios físicos son aquellos en los que las sustancias mantienen su naturaleza y sus propiedades. Las sustancias no cambian siguen siendo las mismas antes y después del cambio y, por lo tanto, la fórmula química de la sustancia es la misma. De los procesos vistos hasta ahora son ejemplos de cambios físicos: Las disoluciones. Echar azúcar en agua y agitar hasta que desaparece. Los cambios de estado. Paso de agua líquida a vapor de agua. En los dos casos la fórmula que simboliza tanto el líquido como el gas será H2O. Las dilataciones. Los metales que se dilatan, aumentan de volumen, al recibir calor. Disolución de sal en agua Cambios de estado del agua Junta dilatación carretera (Banco de imágenes del ISFTIC) Cambios químicos son aquellos en los que las sustancias iniciales desaparecen y se transforman en otras distintas que tienen propiedades diferentes. Los cambios químicos también reciben el nombre de reacciones químicas y las fórmulas de las sustancias iniciales son distintas de las finales. Son ejemplos de cambios químicos: Las combustiones. Quemar carbón, madera o petróleo para producir energía. También se produce cenizas y humo. Las oxidaciones. Un puente de hierro que se va oxidando poco a poco en un ambiente húmedo. La respiración en los seres vivos. La fotosíntesis en la que las plantas verdes producen nutrientes y oxígeno. Combustión de la madera Oxidación puente de hierro Fotosíntesis de las plantas (Banco de imágenes del ISFTIC) Verdadero o falso Verdadero Falso Hervir agua es un cambio físico La oxidación de un clavo de hierro es un cambio físico Una fruta que se pudre es un cambio químico La mantequilla derritiéndose en la sartén es un cambio físico 22 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Congelar un refresco es un cambio químico 4.2. Teoría de colisiones La teoría atómico-molecular supone que las sustancias están formadas por átomos, moléculas o iones. Las reacciones químicas se interpretan, a nivel molecular, como la reorganización combinación de los átomos que forman los reactivos para formar los productos de la reacción. Para explicar cómo ocurre una reacción química nos ayudamos de la teoría de las colisiones. Esta teoría considera a las moléculas como partículas que chocan continuamente unas con otras, más concretamente: Teoría de las colisiones Las moléculas de los reactivos se mezclan, pues están en continuo movimiento. Algunas chocan entre sí pero no tienen suficiente energía para romper los enlaces. Otras moléculas chocan con la suficiente energía y en la dirección adecuada de forma que los enlaces que unen los átomos de las moléculas de reactivos se rompen y se recombinan formando las nuevas moléculas de los productos. De modo que el continuo movimiento molecular provoca choques. Pero no todos los choques son iguales. El choque que provoca la reacción química se denomina choque eficaz y los choques que no dan lugar a la reacción, se denominan choques ineficaces. Para conseguir choques eficaces un factor clave en esta teoría es la velocidad de las moléculas, ya que si esta no es suficiente la reacción no tendrá lugar. Dado que esta velocidad está directamente relacionada con la temperatura, esto explica que será necesario el aporte de calor para que algunas reacciones tengan lugar. DIAGRAMA DE PARTÍCULAS. Para representar las reacciones químicas, los reactivos y los productos de la reacción, se emplean los diagramas de partículas. Cada átomo se considera una bolita y la agrupación de dos o más bolitas representa una molécula. Para diferenciar átomos se emplean diferentes colores. Se representan un número pequeño de moléculas, que correspoderían a millones de millones, en la proporción que intervienen en la reacción. Por ejemplo; Nitrógeno molecular atmosférico, N2 : Observa en esta simulación como, en condiciones especiales, 4 moléculas de Hidrógeno (H2) reaccionan mediante choques eficaces con 2 moléculas de Oxígeno (O2) para formar 2 moléculas de Agua (H2O). 23 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia Hidrógeno (gaseoso) + Oxígeno (gaseoso) Agua (gaseoso) 24 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 4.3. Ley de conservación de la masa En toda reacción química los reactivos son diferentes de los productos obtenidos, pero lo que no varía es el número de átomos presentes de cada uno de los elementos: se trata de una mera reordenación de los mismos. Como ya sabes, en toda reacción química se forman unos productos a partir de unos reactivos. ¿Pero qué ocurre con las masas de estas sustancias? La masa de los reactivos es la suma de la masa de los átomos que forman sus moléculas, y dado que los productos estarán formados por los mismos átomos aunque organizados en moléculas distintas, deberán tener exactamente la misma masa. La masa total antes y después de que se produzca es la misma. Esto fue planteado por el químico francés Antoine Lavoisier a finales del s. XVIII como "En cualquier sistema químicamente cerrado la masa de los productos es exactamente igual a la masa de los reactivos" y se conoce como ley de la conservación de la masa. Algunos consideran las aportaciones de Lavoisier como el inicio de la Química moderna. Antoine Lavoisier Ley de conservación de la masa (Ley de Lavoisier): En toda reacción química la masa permanece constante. La masa de los reactivos que se consumen es igual a la masa de los productos que se producen. Observa en los siguientes diagramas de partículas los reactivos y los productos de la reacción: Hidrógeno (gaseoso) + Cloro (gaseoso) Ácido clorhídrico (gaseoso) Vemos como a partir de cinco moléculas (10 átomos) de hidrógeno y 5 moléculas (10 átomos) de cloro se obtienen 10 moléculas (20 átomos). Para conseguirlo, se ha romper la unión entre los dos átomos de hidrógeno en cada molécula y también la unión entre los dos átomos de cloro, uniéndose posteriormente uno de cloro con uno de hidrógeno para formar la molécula de ácido clorhídrico. 25 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 4.4. Ecuaciones químicas Una ecuación química es una representación simbólica de una reacción química. En la que aparecen símbolos y fórmulas que representan los reactivos y los productos En el transcurso de la reacción, se produce una ruptura en los enlaces que unen los átomos de los reactivos, dando lugar a nuevos enlaces que provocan la aparición de otras sustancias, los productos de la reacción. Además, según la ley de conservación de la masa, debe cumplirse que el número de átomos de cada elemento debe ser el mismo tanto en los reactivos como en los productos. Cuando esto ocurre se dice que la reacción química está ajustada o equilibrada. Una ecuación química es una representación de una reacción química con las fórmulas de los reactivos y las fórmulas de los productos separadas por una flecha. Veamos la síntesis del agua a partir de hidrógeno y oxigeno. En este caso el hidrógeno molecular (H2) reacciona con el oxígeno molecular (O2) para producir agua (H2O). Observamos en los diagarmas de partículas que en los reactivos hay 2 átomos de hidrógeno y 2 de oxígeno, mientras que en los productos sólo hay 1 átomo de oxígeno y 2 de hidrógeno. Para que se cumpla la ley de Lavoisier debe de haber el mismo número de átomos de cada tipo. Esto se consigue ajustando el número de moléculas que participan. Observamos cómo es necesario el doble de partículas (moléculas) de H2 que de O2. En este caso 10 moléculas (20 átomos) de hidrógeno reaccionan con 5 moléculas de oxígeno para formar 10 moléculas (30 átomos) de agua. En general la ecuación química (ya ajustada) que representa esta reacción será: 2 H2 + O 2 2 H2O Completa cinco once tres siete nueve Según la reacción de síntesis del agua a partir de oxígeno e hidrógeno, para que reaccionen completamente seis moléculas de hidrógeno serán necesarias Al final se habrán formado moléculas de oxígeno. moléculas de agua. 26 / 27 UD2. Teoría atómico-molecular de la materia 4.5. Ajuste de reacciones Cuando escribimos una reacción química, en la mayor parte de las ocasiones no hay el mismo número de átomos de cada tipo en cada lado, por lo que es necesario realizar un proceso de ajuste de la reacción. Esto es necesaria para que se cumpla la ley de conservación de la masa. Dado que si cambiamos su fórmula cambiamos de sustancia, no será posible cambiar los subíndices de los compuestos participantes, sino que deberemos jugar con el número de moléculas de cada tipo que intervienen, hasta lograr que la reacción esté ajustada. A este número, que se sitúa escrito delante de la fórmula, se le conoce como coeficiente estequiométrico. A la hora de ajustar, siempre se intentará que los coeficientes estequiométricos sean enteros y lo más bajos posibles. Una ecuación química ajustada es la representación de una reacción química con las fórmulas de reactivos y productos separadas por una flecha y los coeficientes estequiométricos (números enteros) delante de cada fórmula que indican la proporción de moléculas que intervienen en la reacción. El proceso de ajuste de las reacciones químicas es el siguiente: Escritura de la reacción en la forma: Fórmulas de reactivos -- Fórmulas de productos Se observan los átomos de cada tipo que hay a cada lado de la reacción. Si hay algún tipo de átomo que no está compensado, se añade el coeficiente estequiométrico correspondiente para que el número se iguale. Se comprobará si la inclusión de este coeficiente ha descompensado algún otro tipo de átomo y se repetirá el proceso hasta que consigamos que el número de átomos de cada tipo sea el mismo a ambos lados. Realiza Puedes practicar el ajuste de reacciones sencillas desde este portal de Internet: Elige la correcta La reacción de combustión del metano: ACH4 + BO2 --> CH2O + DCO2 estaría ajustada si los coeficientes estequiométricos, A, B, C y D fueran: A=1, B=2, C=1, D=2 A=2, B=1, C=1, D=2 A=1, B=2, C=2, D=1 A=2, B=1, C=2, D=1 27 / 27
