Análisis de los elementos de la tabla periódica

Análisis de los elementos de la tabla periódica
Grupo i a: los metales alcalinos
Los metales alcalinos, litio ( li ), sodio ( na ), potasio ( k ), rubidio ( rb ), cesio ( cs ) y francio ( fr ), son
metales blandos de color gris plateado que se pueden cortar con un cuchillo. Presentan densidades muy
bajas y son buenos conductores de calor y la electricidad; reaccionan de inmediato con el agua, oxigeno
y otras substancias químicas, y nunca se les encuentra como elementos libres ( no combinados) en la
naturaleza. Los compuestos típicos de los metales alcalinos son solubles en agua y están presentes en el
agua de mar y en depósitos salinos. Como estos metales reaccionan rápidamente con él oxigeno, se
venden en recipientes al vacio, pero por lo general se almacenan bajo aceite mineralo queroseno. En
este grupo los más comunes son el sodio y el potasio.
Grupo ii a: los metales alcalinoterreos
Entre los elementos del grupo ii a. Se encuentran el berilio ( be ), magnesio ( mg ), calcio ( ca ), estroncio
( sr ), bario ( ba ) y el radio ( ra ). Estos metales presentan puntos de fusion mas elevadosque los del
grupo anterior, sus densidades son todavía mas bajas, pero son algo mas elevadas que la de los metales
alcalinos comparables. Son menos reactivos que los metales alcalinos. Todos los los metales
alcalinoterreos poseen dos electrones de valencia y forman iones con doble carga positiva ( 2 + ).
El calcio ocupa el quinto lugar en abundancia; alrededor del 4 % de la corteza terrestre es calcio o
magnesio. El carbonato de calcio es el compuesto que forma la greda, la piedra caliza y la calcita. La
cal, el cemento, lso huesos y los depositos de conchas marinas son ricos en calcio. El magnesio metalico
se emplea para polvo de iluminación instantánea, bombillas fotograficas, y en aleaciones de aluminio,
en especial para aviones y proyectiles. Casi todo el " agua dura "contiene iones calcio y magnesio, el
berilio es costoso, pero las aleaciones de este metal se emplean en herramientas que no producen
chispas, en resortes y electrodos para soldadura por puntos. El berilio y sus compuestos son toxicos. Los
compuestos de bario son extensamente en pigmentos blancos. El radio es radiactivo.
Grupo iii a:
El primer elemento del grupo iii a es el boro ( b ), un metaloide con un punto de fusion muy elevado y
en el que predominan las propiedades no metalicas. Los otros elementos que comprenden este grupo
son: aluminio ( al ), galio ( ga ), indio ( in ), y talio (tl ), que forman iones con una carga triple positiva (
3 + ). La densidad y las características metalicas aumentan conforme se incrementa él numero atomico
de este grupo.
El boro no sé encuntra libre en la naturaleza, pero es el elemento fundamental del borax. Este
compuesto se emplea como suavizante de agua y en agente de limpieza. Desde el punto de vista químico,
el boro se comporta mas como el metaloide silicio que como el aluminio metalico.
El aluminio se encuentra adyacente a dos metaloides en la tabla periódica, pero en sus propiedades
predominan las de tipo metalico. El aluminio es un buen conductor de calor y la electricidad, y es un
metal dúctil que se emplea en alambres ligeros. Es el metal que más abunda en la corteza terrestre ( 8
%), pero es demasiado activo para encontrarse libre en la naturleza. Se utiliza por ejemplo en
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aeronaves, alambre de trasmisión electrica, motores, automóviles, utensilios de cocina, pigmentos para
pinturas y papel aluminio.
El galio se funde a 29.8 c, solo un poco arriba de la temperatura ambiente, la demanda de este metal va
en aumento; tiene aplicaciones nuevas en semiconductores de estado sólido para computadores y celdas
solares. El indio es muy blando; entre otras cosas, se emplea en transistores y recubrimientos de
espejos. El talio y sus compuestos son toxicos.
Grupo iv a: la familia del carbono.
El carácter metalico aumenta de arriba hacia abajo en el caso de los elementos carbono ( c), silicio ( si ),
germanio ( ge ), estaño ( sn ), y plomo ( pb ). Las diferencias en la posición cristalina de los atomos de
carbono explican la dureza resbaladiza del grafito negro. A las formas distintas de un mismo elemento,
como estas, se les llama alótropos. A mediados de la decada de 1980 sé descubrio una nueva forma
alotropica del carbono, con 60 atomos dispuestos en un patron parecido a la superficie de un balon de
fútbol soccer a estas esferas de carbono 60 se les suele dar el nombre de buckybolas. El carbono vegetal
es una forma alotropica no cristalina ( o quizas microcristalina) del carbono; no presenta un patron
atomico definido. Además de los dos oxidos de este elemento, dióxido de carbono ( co2 ) y monóxido de
carbono (co) el carbon esta presente en mas de 8 millones de compuestos. Entre los compuestos
organicos ( que contienen carbono) estan las sustancias naturales presentes en todos los seres vivos.
Todos los productos del petroleo y los sintéticos que van de los plásticos a las fibras y medicamentos,
son tambien compuestos organicos.
El silicio, el segundo miembro de este grupo, es un metaloide en el que predominan las propiedades no
metalicas. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre ( 26%) pero no se encuentra
como elemento libre, la arena de cuarzo, que es dióxido de silicio, se emplea en la producción de vidrio
y cemento. El silicio posee un lustre metalico gris. Este metaloide ha ejercido un impacto enorme en la
tecnología moderna, pues se emplea silicio extremadamente puro en la manufactura de
semiconductores y chips de computadora. El carborundo es carburo de silicio, un compuesto de silicio y
carbono que se utiliza en herramientas de corte y esmerilado. El germanio es tambien un
semiconductor metaloide y participa en miles de aplicaciones electrónicas.
Grupo v a:
Entre los elementos del grupo v a estan los no metales nitrógeno (n) y fósforo (p) , lso metaloides
arsénico (as) y antimonio ( sb), y el metal pesado bismuto (bi). Como se ve, en este grupo hay un cambio
total en apariencia y propiedades de arriba hacia abajo.
El nitrógeno gaseoso diatómico ( n2 ) constituye el 78 % del aire en volumen. Tanto el nitrógeno como
el fósforo son fundamentales para la vida. El nitrógeno es un elemento indispensable para los
aminoácidos que componen todas las proteinas. Las moléculas de nitrógeno del aire no son muy
reactivas, pero ciertas bacterias del suelo pueden " fijar" el nitrógeno al convertir el elemento en
amoniaco, que en esa forma puede ser incorporado por las raices de las plantas. En escala industrial, el
nitrógeno y el hidrógeno gaseosos se combinan para producir amoniaco gaseoso, nh3 que se utiliza
como fertilizante y tambien en la manufactura de acido nitrico y diversos explosivos.
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El fósforo es un solido reactivo que no se encuentra libre en la naturaleza. Una de las formas
alotropicas del fósforo es un material rojo púrpura no cristalino que alguna vez se utilizo para fabricar
cerillas. Otra forma alotropica, de formula p4 presentan una apariencia cerosa cristalina de color
amarillento y es preciso mantenerla bajo el agua para evitar su combustión espontánea con el oxigeno
del aire. El fósforo se emplea en la fabricación de cerillas, bombas de humo, balas trazadoras
plaguicidas y otros muchos productos. Este elemento es fundamental para todas las celulas vegetales y
animales.
El arsénico es un metaloide en el que predominan las propiedades no metalicas. Tanto el elemento como
sus compuestos son toxicos, en parte porque el primero puede imitar casi por completo el
comportamiento químico del fósforo, pero el arsénico es incapaz de funcionar como el fósforo en los
tejidos vivos, y tiene resultados letales. Ciertos insecticidas y funguicidas agrícolas contienen arsénico.
El elemento tambien se utiliza en aplicaciones de semiconductores e en laseres.
El antimonio es un metaloide en qel que predominan las propiedades metalicas. El elemento es
quebradizo y escamoso, con lustre metalico. Se emplea para aumentar la dureza del plomo destinado a
las baterias de automóvil, en cubiertas para cable y en balas trazadoras. Ciertos compuestos de
antimonio se usan en pigmentos para pinturas , en esmaltes cerámicos y en agentes para
incombustibilizar.
El bismuto es el unico metal verdadero en este grupo. Se utiliza para hacer aleaciones como el peltre, y
aleaciones de bajo punto de fusion que se emplean en fusibles eléctricos y sistemas de aspersión contra
incendios. Ciertos compuestos de bismuto se usan en polvos faciales y cosméticos.
Grupo vi a:
Los elementos del grupo vi a, conocidos como la familia del grupo del oxigeno, comprenden al oxigeno
(o), azufre (s), selenio (se), telurio (te) y polonio (po). Aunque todos ellos tienen seis electrones de
valencia, sus propiedades varian de no metalicas a metalicas en cierto grado, conforme aunmenta el
numero atomico.
El oxigeno gaseoso, o2 es fundamental para la vida; es necesario para quemar los combustibles fosiles y
obtener asi energia, y se requiere durante el metabolismo urbano para quemar carbohidratos. En
ambos procesos, los productos secundarios son dióxido de carbono y agua. El oxigeno constituye el 21
% en volumen del aire y el 49.5 % en peso de la corteza terrestre.
La otro forma alotropica del oxigeno es el ozono, cuya formula es o3 es mas reactivo que el oxigeno
ordinario y se puede formar a partir de oxigeno en un arco electrico, como el descargador a distancia
de un motor electrico, tambien se puede producir ozono por la accion de la luz ultravioleta sobre el
oxigeno; esto explica el aroma " fresco del aire durante las tormentas electricas".
El azufre es el segundo elemento no metal del grupo. A temperatura ambiente es un solido amarillo
palido que se encuentra libre en la naturaleza. Lo conocían los antiguos y se le menciona en el libro del
genesis como piedra de azufre. Las moléculas de azufre contienen ocho atomos de azufre conectados a
un anillo; su formula es s8 . El azufre tiene una importancia especial en la manufactura de neumáticos
de hule y acido sulfurico, h2so4 . Otros compuestos de azufre son importantes para blanquear frutos y
granos.
El selenio es un no metal que presenta interesantes propiedades y usos. La conductividad de este
elemento aumenta con la intensidad de la luz. A causa de esta fotoconductividad, el selenio se a utilizado
en los medidores de luz para camaras fotograficas y en fotocopiadoras, pero la preocupación que
origina su toxicidad ha hecho que disminuya su uso. El selenio tambien puede convertir la corriente
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electrica alterna en corriente directa; se ha utilizado en rectificadores, como los convertidores que se
usan en los radios y grabadores portátiles, y en herramientas electricas recargables. El color rojo que el
selenio imparte al vidrio lo hace util en la fabricación de lentes para señales luminosas.
El telurio, tiene aspecto metalico, pero es un metaloide en el que predominan las propiedades no
metalicas. Se emplea en semiconductores y para endurecer las placas de los acumuladores de plomo y el
hierro colado. Se presenta en la naturaleza en diversos compuestos, pero no es abundante. El polonio es
un elemento radiactivo poco comun que emite radiación alfa y gama; su manejo es muy peligroso. Los
usos de este elemento se relacionan con su radiactividad, y fue descubierto por marie curie, quien le dio
este nombre en honor a su natal polonia.
Grupo vii a: los halogenos.
Comprenden el fluor (f), cloro (cl), bromo (br), yodo (i), y astatino (at). El nombre de la familia
halogeno provienen de las palabras griegas que significan " formadores de sales". Cada atomo de
halogeno tiene siete electrones de valencia. Como elementos , los alogenos son todos diatomicos, tienen
dos a tomos por molécula y son demasiado reactivos como para encontrarse libres en la naturaleza.
El primer halogeno, el fluor es un gas amarillo palido, que es el elemento con mas carácter no metalico
de todos. Tienen una fuerte tendencia a ganar un electrón para formar iones fluoruro, f . Tanto la
madera como el hule arden en forma espontánea en fluor gaseoso. El fluor se emplea en la producción
de compuestos con carbono llamados fluorocarbonos, como el freon−12, ccl2f2 , que se utiliza como
refrigerante en aparatos de aire acondicionado. El teflón es un fluorocarbono que es un polimero; tiene
unidades moleculares de dos atomos de carbono y cuatro atomos de fluor que se repiten miles de veces
en largas cadenas. Los compuestos de fluor tambien se utilizan para prevenir la caries dental y en
ciertos lubricantes.
El cloro es un gas amarillo verdoso de olor irritante, que reacciona con casi todos los elementos. En
concentraciones elevadas es muy venenoso, pero es bajas concentraciones puede salvar vidas: se emplea
para purificar el agua potable, se emplea en la producción de papel, textiles, blanqueadores,
medicamentos, insecticidas, pinturas, plásticos y muchos otros productos de consumo.
El bromo es el unico elemento no metalico que es liquido a temperatura ambiente. Este liquido reactivo
de color rojo sangre con un vapor rojo, es picante y venenoso; se debe manejar con extremo cuidado. El
elemento se obtiene principalmente procesando salmuera extraida de los pozos de arkansas y michigan.
Tambien se puede obtener bromo del agua de mar, pero esto ya no constituye una fuente importante
del elemento. El bromo se utiliza en la producción de sustancias químicas para fotografia, colorantes y
retardantes de flama, y en la manufactura de un amplia variedad de otras sustancias químicas, incluso
productos farmacéuticos.
A temperatura ambiente el yodo es un solido cristalino de color gris metalico. Cuando se calienta, el
yodo solido se sublima, es decir se transforma, directamente del estado solido al gaseoso sin pasar por el
estado liquido. El vapor de yodo presenta un hermoso color violeta brillante. El yodo que es menos
abundante que otros halogenos, se obtiene de pozos de salmuera que hay en los campos petroleros de
california y luisiana. El elemento esta presente tambien en ciertos vegetales marinos, como las algas, los
compuestos de yodo se utilizan en productos químicos para fotografia y tambien en ciertos
medicamentos. El cuerpo humano necesita un poco de yodo para elaborar la hormona tiroxina.
Todos los isótopos del astatino son radioctivos. Se cree que la cantidad total de este elemento, existe en
la corteza terrestre, es menor que 30 gr. (una onza). Muestras minúsculas de este inestable elemento se
sintetizaron por primera vez en la universidad de california, berkeley, en 1940.
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Grupo viii a: los gases nobles.
Esta familia incluye al helio (he), neon (ne), argon (ar), cripton (kr), xenon (xe) y radon (rn). Los gases
nobles existen en forma de atomos gaseosos monoatómicos (solos) que no tienden a participar en
reacciones con otros elementos.
Todos loa gses nobles poseen un nivel energético externo lleno por completo de electrones (dos en el
helio y ocho en todos los demas). Esta distribución estable de electrones explica la naturaleza no
reactiva de estos elementos. Alrededor del 1 % de la atmósfera de la tierra es argon, y los otros gases
nobles estan presentes en cantidades muy pequeñas. A excepcion del helio, que se extrae de pozos de gas
natural, estos elementos se separan del aire licuado.
Durante la decada de 1890, el químico escoses sir william ramsey y sus colaboradores, descubrieron la
existencia de todos estos elementos excepto el helio y el radon. Cunado janssen, astrónomo, empleaba
un espectroscopio par estudiar un eclipse de sol en 1868, observo una nueva linea en el espectro. Se
concluyo que el sol tenia un elemento aun no descubierto que mas tarde recibio el nombre de helio,
derivado de la palabra griega helios, que significa el " sol". El primer descubrimiento de la presencia de
helio en la tierra tuvo lugar en 1895, cuando ramsey encontro una muestra de mineral de uranio
producia helio gaseoso. El radon es un gas radioactivo descubierto en 1900 por friedrich dorn, fisico
quien encontro que se producia este elemento durante la descomposición radioactiva del elemento
radio.
Debido a su baja densidad u naturaleza no inflamable, el helio se utiliza para inflar globos y dirigibles
(zepelines), y para mantener bajo presion el combustible liquido de los cohetes saturno. La propiedad
que distingue a los gases nobles como grupo, es su calidad de "inertes". Por ejemplo, el helio y el argon
se emplean en la soldadura del arco y en procesos metalúrgicos, para evitar la reaccion de los
materiales con el oxigeno y el nitogeno del aire. Las bombillas de luz y los tubos fluorescentes se llenan
con una mezcla de argon y nitrógeno, que provee una atmósfera inerte para prolongar la vida del
filamento. El cripton es mas costoso, pero se utiliza para aumentar la eficiencia y brillantes de ciertas
bombillas de lampara de mano y de aditamentos de destello electrónico que se emplea en fotografia. La
brillante luz naranja−rojiza de los anuncios de neon se produce cuando se hace pasar una corriente
electrica a travez de un tubo que contiene gas neon a baja presion. La naturaleza no reactiva de los
gases nobles los hace muy valiosos.
Metales de transicion.
Los metales de transición se localizan en la parte central de la tabla periódica y se les identifica con
facilidad mediante un numero romano seguido de la letra "b" en muchas tablas. No hay que olvidar,
sin embargo, que ciertas tablas periódicas emplean un sistema distinto de rotulos , en el que los
primeros grupos de metales de transición estan marcados como grupos "a" y los dos ultimos grupos de
metales de transición se identifican como grupos "b". Otras tablas no emplean la desingnacion de "a" o
"b".
En general, las propiedades de los metales de transición son bastantes similares. Estos metales son mas
quebradizos y tienen puntos de fusion y ebullición mas elevados que los otros metales. Las densidades,
puntos de fusion y puntos de ebullición de los metales de transición aumentan primero y luego
disminuyen dentro de cada periodo, conforme aumenta el numero atomico. Esta tendencia es mas
notoria en los metales de transición del sexto periodo. Los metales de transición son muchos menos
reactivos que los metales alcalinos y alcalinoterreos. Asi, aunque los metales alcalinos, como el sodio o el
potasio, nunca se encuentran libres en la naturaleza, si se ha podido encontrar muestras relativamente
puras de varios metales de transición, como oro, plata, hierro y manganeso.
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Los metales de transición pueden perder dos electrones de valencia del subnivel s mas externo, además
de electrones d retenidos con poco fuerza en el siguiente nivel energético mas bajo. Asi un metal de
transición en particular, puede perder un numero variable de electrones para formar iones positivos
con cargas distintas. Por ejemplo, el hierro pueden formar el ion fe2+ o el ino fe3+ se dice que el hierro
tienen numeros de oxidación +2 y +3. Muchos compuestos de metales de transición presentan un
colorido brillante gracias a un numero variable de electrones no aparedos.
El cobre, la plata y el oro se les llama metales de acuñación. Los tres son buenos conductores de calor y
electricidad. El cobre tiene un color rojizo característico, que poco a poco se oscurece conforme
reacciona el metal con el oxigeno y los compuestos de azufre del aire. El cobre se emplea de manera
extensa en aplicaciones electricas, monedas, tubería para agua y en aleaciones muy conocidas como el
laton, el bronce y la plata sterling.
La plata con un brillante lustre metalico, es el mejor conductor tanto de calor como de la electricidad.
Se emplea en monedas, joyeria, contactos eléctricos, circuitos impresos, espejos, baterias, y productos
químicos para fotografia. El oro es el mas maleable y dúctil de los metales. Es blando, pero por lo
general contiene cantidades pequenas de otros metales para hacer aleaciones que son mas resistentes. El
oro no reacciona con el aire ni con la mayor parte de las ustancias químicas.
Entre otros metales de transición familiares estan el cromo, hierro cobalto, niquel y zinc, del cuarto
periodo de la tabla periódica. Estos metales se emplean mucho en diversas herramientas y en
aplicaciones relacionadas. El hierro es el cuarto elemento mas abundante y es el metal menos costoso.
Las aleaciones del hierro, conocidas como acero, contienen cantidades pequeñas de metales como
cromo, manganeso y niquel, que le dan resistencia, dureza y durabilidad. El hierro que esta cubierto
con una delgada capa de zinc se dice que esta galvanizado. Algo asi como la tercera parte de todo el zinc
que se produce de emplea para galvanizar alambre, clavos y metal laminado. El zinc es importante en
la producción de laton, pilas secas y fundiciones a troquel para objetos automotrices y de ferretería.
Metales de transición internos.
Las dos filas de la parte inferior de la tabla periódica se concocen como metales de transición internos.
Localiza el lantano con el numero atomico 57. La serie de elementos que siguen al lantano ( los
elementos con numero atomico del 58 al 71) se conocen como los lantanidos. Estos elementos tienen dos
electrones externos en el subnivel 6s, mas electrones adicionalesen el subnivel 4f. De manera similar, la
serie de elementos que siguen al actino (lodselementos con numero atomico del 90 al 103) se conocen
como actinidos, que tienen dos electrones externos en el subnivel 7s, mas electrones adicionales en el
subnivel 5f. En el pasado, a los elementpos de transicion internos se les llamaba "tierras raras" , pero
esta no era una buena clasificacion, pues la mayor parte no son tan raros como algunos otros elementos
son, sin embargo muy difícil de separar.
Los lantanidos y actinidos poseen subniveles f parcialmente ocupados. Tienen propiedades tan similares
que resulta difícil separarlos químicamente, aunque los metodos mas nuevos han permitido bajar los
costos de purificación. Estos metales, a diferencia de los metales de transición, son blandos y maleables.
Se emplean en piedras de encendedores de cigarrillos, lamparas de arco de carbono, laseres, agentes
colorantes para el vidrio y compuestos que producen el intenso color rojo que se requiere para los
cinescopios de televisión.
Elementos transuranicos.
El uranio, con el numero atomico 92, pertenece a la serie de los actinidos y tiene mas protones que
cualquier otro elemento presente en la naturaleza. En 1940 se sintetizo un nuevo elemento con 93
protones en la universidad de california en berkeley. Este elemento, llamado neptunio, es el primer
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miembro de los elementos sintéticos con numeros atomicos mayores de 92. A estos elementos se les
llama transuránicos, y todos ellos son radioactivos. El plutonio tambien se sintetizo en 1940; en la
actualidad se produce como un producto secundario de reactores nucleares. Hasta ahora se han
producido 16 elementos transuránicos; algunos de ellos son bastante estables, en tanto que otros sufren
con facilidad una desintegración radioactiva. Los nombres de los elementos del 95 al 103 se derivaron
de lugares y científicos importantes. Los elementos del 95, 97 y 98 recibieron su nombre en honor de
america, berkeley y california, respectivamente. Los elementos con numeros atomicos 96, 99, 100, 101,
102, y 103 fueron bautizados , respectivamente , en honor a los curie, albert einstein, enrico fermi,
mendeleev, alfred novel y ernest lawrence (inventor del ciclotron). En 1994 se propuso formalmente que
el elemento 106 se llamara seaborgio (sg) en honor de glenn t. Seaborg, por su trabajo con los elementos
transuránicos.
El equipo que se requiere para producir nuevos elementos transuránicos se ha vuelto mas complejo,
pero no hay razon para dudar de que sinteticen elementos adicionales, o de que se encuentren nuevos
usos para los elementos naturales y sintéticos.
POLARIDAD MOLECULAR.
La polaridad de una molécula depende de:
El tipo de enlace.
La geometría molecular.
Las geometrías moleculares que podemos observar son:
Lineal como la que presenta la molécula CO2, angular como la que presenta la molécula H2O,
Piramidal como la que presenta el NH3, Trigonal plana como la que presenta el compuesto BF3, y
Tetraédrica como la que presenta el CH4.
A continuación con ayuda de una tabla resumimos la información ya citada.
Cuando una molécula presenta polaridad puede ser atraída por campos magnéticos o ser soluble en
solventes polares. De acuerdo a esta información podemos encontrar moléculas polares y no polares.
Como ejemplos de moléculas no polares podemos mencionar: CH4,CO2, CCl4, BF3, y como moléculas
polares podemos mencionar: H2O, HCl, NH3 La molécula CH4 es no polar por su geometría pero polar
por la diferencia de electronegatividad la cual tiene un valor de: 0.4. La molécula de bióxido de carbono
presenta características similares es decir sus enlaces son covalentes polares por la diferencia de
electronegatividad la cual tiene un valor de 1.0, pero por su geometría es una molécula no polar.
Geometría. Pares de e−
alrededor del
átomo central. Ejemplos. Imagen.
Lineal. 2 BeH2,
HF,CO2
Trigonal Plana. 3 BF3
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Tetraédrica. 4 CH4
Piramidal. 4 NH3
Angular. 4 H2O
GEOMETRIA MOLECULAR
La geometría tridimensional de las moléculas está determinada por la orientación relativa de sus
enlaces covalentes. En 1957 el químico canadiense Ron Gillespie basándose en trabajos previos de
Nyholm desarrolló una herramienta muy simple y sólida para predecir la geometría (forma) de las
moléculas.
La teoría por él desarrollada recibe el nombre Teoría de Repulsión de los Pares de Electrones de
Valencia (TRPEV) y se basa en el simple argumento de que los grupos de electrones se repelerán unos
con otros y la forma que adopta la molécula será aquella en la que la repulsión entre los grupos de
electrones sea mínima.
Para la TRPEV grupos de electrones pueden ser:
un simple enlace
un doble enlace
un triple enlace
un par de electrones no enlazante
Para predecir la geometría de una molécula necesitamos conocer solamente cuantos grupos de
electrones están asociados al átomo central para lo cual debemos escribir la fórmula de Lewis de la
molécula.
Luego simplemente nos preguntamos como los grupos de electrones se distribuirán espacialmente de
modo que la repulsión entre ellos sea mínima.
Es importante recordar que la geometría de la molécula quedará determinada solamente por la
distribución espacial de los enlaces presentes y no por la posición de los pares electrónicos no
enlazantes, los que si deberán ser tenidos en cuenta en el momento de determinar la disposición espacial
de todos los grupos electrónicos, sean enlaces o no.
Por ejemplo la molécula de H2S tiene la siguiente fórmula de Lewis:
En ella podemos identificar 4 grupos de electrones: dos enlaces simples y dos pares de electrones no
enlazantes.
Para minimizar las repulsiones entre ellos adoptarán una geometría tetraédrica, colocándose cada
grupo en el vértice de un tetraedro que tiene como centro al átomo de azufre. Sin embargo a la hora de
determinar la geometría de la molécula, la misma sólo queda determinada por la distribución de los
enlaces, por lo que la geometría del H2S será angular.
Note que el ángulo HSH es menor que 109.5°, el ángulo de un tetraedro regular. Esto se debe a la mayor
repulsión generada por el mayor volumen de los pares de electrones no enlazantes.
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En la tabla se muestran las distintas geometrías que adoptan las moléculas dependiendo de la cantidad
de grupos elctrónicos y enlaces que presentan.
Para visualizar las estructuras tridimensionales que se muestran en la tabla, es necesario instalar el
plugin CHIME, para lo cual utilice como username la dirección [email protected] o si lo desea
regístrese como nuevo usuario (es gratis!!)
Total átomos + pares no
enlazantes alrededor
del átomo central Atomos Pares no enlazantes Geometría Ejemplos
2 2 0 Lineal CO2
33
20
1 Trigonal plana
Angular BCl3
SO2
44
3
20
1
2 Tetraédrica
Pirámide trigonal
Angular SiF4
PH3
H2S
55
4
3
20
1
9
2
3 Bipirámide trigonal
Balancín
Forma "T"
Lineal PF5
SCl4
IF3
XeF2
66
5
40
1
2 Octaédrica
Pirámide b.cuadrada
Cuadrada plana SiF6−2
IF5
ICl4−
Para el científico ahora parece casi imposible de imaginarse como la ciencia sería si los conceptos de
átomo y de la molécula no fuesen introducidos. Sin embargo, al principio de este siglo era
absolutamente posible que un buen químico tuviera serias dudas com respecto a la viabilidad de este
modelo. La propuesta de la teoría atómica publicada por Dalton en su libro, "A New System of
Chemical Philosophy, en 1808, no dejó de recibir objeciones por parte de la comunidad científica de la
época. Los químicos como Ostwald desarrollaron estudios sin mencionar inclusive cualquier teoría que
pudiese hacer pensar en la posibilidad de la existencia de átomos o de moléculas.
Con los descubrimientos de las radiaciones y de los electrones al final del siglo XIX se hizo posible
imaginar y mismo empezar a medir acontecimientos que sugerian la posibilidad de discontinuidad en la
materia. El famoso experimento de Rutherford, la hipótesis de la cuantización de la energia por la
teoria de la radiación del cuerpo negro de Plank, la confirmación de ésta por el efecto fotoeléctrico y la
dispersión Compton, el princípio de dualidad onda−partícula de De Broglie, experimentalmente
comprobado por la difracción de los electrones y algunos otros hechos experimentales que fueron
resolvidos admitiéndose que existía una discontinuidad en la materia y en la energia. El resultado de
todas estas informaciones culminó con la creación en 1927 del modelo atómico de Schrödinger.
Con la aceptación de la existencia de los átomos, no fue muy difícil aceptarse la existencia de las
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moléculas, como entidades que pueden definirse como agrupaciones específicas de átomos, unidos por
intensas fuerzas de interacción electrostática. La característica más importante para ser destacada es
que cada molécula se comporta como una unidad independiente de la otra, esto es, ella conserva las
propiedades del sistema. Este tipo de consideración es bastante viable cuando observamos sistemas
gaseosos. Pero, a medida que condensamos la materia, es decir, a medida que hacemos con que las
moléculas se encuentren más próximas una de las otras, se intensifican una serie de interacciones
inter−moleculares que producen desviaciones en algunas propiedades químicas y físicas com respecto al
estado gaseoso.
Dos preguntas aparecen cuando pensamos en las moléculas. La primera corresponda a las fuerzas que
mantienen unidos el grupo limitado de átomos, es decir, ¿porqué las moléculas muestran composición
atómica constante? La segunda dice al respecto de la necesidad de saber si la distribución de los átomos
en la molécula es un factor importante, o en palabras más simples, ¿la geometria molecular representa
un papel importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos?
importante en las propiedades de los sistemas macroscópicos? Con el experimento de Rutherford la
hipótesis de la naturaleza eléctrica de los átomos fue enfatizada, siendo estos constituidos por partículas
con carga positiva, negativa y partículas sin carga. Por consiguiente, las fuerzas de interacción serian de
naturaleza eléctrica, lo que contestaria la primera pregunta muy superficialmente.
Para responder a la segunda, utilizaremos algunas informaciones experimentales. Vamos a suponer que
tenemos tres compuestos A, B y C que presentan las propiedades siguientes:
Molécula Ponto de Fusión (oC) Ponto de Ebullición (oC)
A −126,0 97,0
B −86,0 82,5
C − 10,8
Estos datos sugieren que los tres compuestos son diferentes. Haciendo un análisis elemental de A, B y C
observaremos que las moléculas de los tres compuestos presentan la misma composición: 3 átomos de
carbono, 8 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Con la información de que los tres compuestos
son constituidos por los mismos tipos y número de átomos y que sus propiedades son completamente
diferentes, podemos concluir que el factor responsable por esa diferencia de propiedades proviene de
los diferentes arreglos geométricos de los átomos en las tres moléculas. Esto es exatamente lo que se
observa: A y B son compuestos caracterizados actualmente como alcoholes y C corresponde a un éter.
Su distribución grosera puede ser dada por las siguientes representaciones:
A H3C−CH2−CH2OH
B H3C−HCOH−CH3
C H3C−CH2−O−CH3
Para tener mayor conocimiento de como varian las propiedades macroscópicas con el arreglo
geométrico de los átomos, seria necesario que conociesemos las longitudes y ángulos de enlace de cada
molécula y en este trabajo, lo que intentaremos mostrar es exactamente como esto es realizado, o mejor,
las técnicas experimentales que nos permiten medir esas magnitudes.
TIPOS DE ENERGIA
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Energía: Se define como la capacidad de efectuar un trabajo. Trabajo es el producto de una fuerza.
T=Fxd
W=Fxd
Todas las energías producen un trabajo, es decir una fuerza en una distancia. Los químicos definen el
trabajo: como el cambio de energía producida por un proceso.
Energía radiante o solar.
Principal fuente de energía de la tierra. La energía solar calienta la atmósfera y la superficie terrestre.
También influye en la fotosíntesis y el clima.
Energía térmica. Es la energía asociada con el movimiento aleatorio de los átomos y las moléculas. Se
calcula a partir de las mediciones de temperatura. Cuando más vigoroso es el movimiento de los átomos
y las moléculas una muestra de materia estará más caliente y su energía térmica será mayor. Recordar
ejemplo de la tina y taza de café dadas en clases.
Calor. Es la energía contenida en los movimientos moleculares. La energía que hace que el termómetro
registre una temperatura o un cambio de temperatura.
Energía química. Es una energía que se almacena dentro de las unidades estructurales de las sustancias.
Depende del tipo de constitución de los átomos que forman esa sustancia.
Una reacción química libera, almacena y convierte la energía en otro tipo de energía.
Energía potencial.
Formula
E.P = m x h
m = masa
h = altura
Es la energía disponible en función de la posición de un objeto.
En la energía química se considera como energía potencial porque está relacionada con la posición
relativa y el acomodo de los átomos en una sustancia determinada.
Cuando se hace ejercicio la energía química almacenada en el cuerpo se convierte en energía cinética.
Energía cinética. Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo según su velocidad.
E.C = 1/2 m x v2
m = masa
v = velocidad
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Cambios energéticos en las reacciones químicas. En la combustión del gas natural y petróleo lo más
importante es la energía térmica que se libera y no el agua y el dióxido de carbono que se forman. Casi
todas las reacciones absorben o producen energía en forma de calor.
Calor (q). Es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferentes temperaturas.
Flujo de calor. Con frecuencia se habla de flujo de calor desde un objeto caliente hacia un objeto frío.
Calor por si solo implica transferencia de energía. Se habla de "calor absorbido" y "calor liberado"
para describir los cambios energéticos que ocurren durante un proceso.
Termoquímica. Es el estudio de los cambios de calor en las reacciones químicas.
Entonces, para analizar los cambios de energía asociados a las reacciones químicas, llamaremos sistema
a la parte específica del universo que nos interesa.
Para los químicos, los sistemas incluyen sustancias que están implicadas en los cambios químicos y
físicos. Ejemplo: en un experimento de neutralización ácido−base el sistema puede ser el recipiente que
a la vez contiene 50 ml. de HCl al cual se le agregan 50 ml. de NaOH.
Alrededores: son el resto del universo externo al sistema.
Tipos de sistemas:
Sistema abierto: intercambia masa y energía por lo general en forma de calor, con sus alrededores.
Sistema cerrado: permite la transferencia de energía (calor) pero no de masa.
Sistema aislado: no permite la transferencia de masa y energía.
Proceso exotérmico. Es cualquier proceso que sede calor, es decir que transfiere energía térmica a sus
alrededores.
Tipos de Energía
La energía se presenta en muchas formas, aunque por regla general las energías que más consumimos
son de dos tipos, la química y la eléctrica. La energía química es la que hace funcionar nuestros coches,
motos, camiones, barcos y aviones, y la extraemos de combustibles fósiles como el petróleo, el gas o el
carbón, o bien fabricando combustibles a partir de otras energías. La energía eléctrica es la que
consumimos en casa y nos llega a través de una red eléctrica que cubre casi todo el planeta. Para
producir esa energía existen centrales que la fabrican a partir de combustibles fósiles, energía solar,
hidráulica, eólica, térmica, atómica, etc.Vemos pues que si bien la Naturaleza crea muchos tipos
distintos de energía, nosotros las usamos todas de unas pocas formas distintas, y si al encender una
bombilla durante una hora consumimos 100 watios, nadie nos puede asegurar de dónde han salido esos
watios, si de un generador termosolar, una central nuclear, un generador eólico o una central
hidroeléctrica. Aunque en último término, todos esos tipos de energía han tenido un mismo origen: El
Sol. El Sol calienta grandes masas de aire produciendo vientos que generan energía eólica. Evapora el
agua de los mares para formar nubes que, al condensarse en las montañas generan ríos que son
embalsados para producir energía hidroeléctrica.
Hace que las plantas conviertan materia mineral extraída del suelo por las raíces en materia viva, capaz
de formar leña, carbón y petróleos. Incluso la energía atómica tiene su origen en el Sol, si pensamos que
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todos los elementos existentes más pesados que el hidrógeno, el uranio entre ellos, han tenido su origen
en el interior de una estrella, no nuestro Sol precisamente, pero quizás un abuelo del Sol que nació,
brilló durante mucho tiempo y explotó para que de sus cenizas, y de otros muchos soles destruidos, se
formasen nuevos soles, pero esta vez con planetas sólidos que pudiesen albergar vida. Pero aunque
todas las energías tengan el mismo origen, no todas se usan ni actúan de la misma forma. Las energías
fósiles, por ejemplo, contaminan el medio ambiente con humos, cenizas y desechos industriales que
destruyen la vida allí donde son vertidos accidental o intencionadamente. Es la contaminación química,
que en los dos últimos siglos ha provocado la extinción de muchas especies animales y vegetales debido
a las emisiones de gases contaminantes como el CO2 y que contribuyen al cambio climático que parece
estar produciéndose en la Tierra. También la energía atómica utiliza un combustible que es peligroso
para la vida y deja unos residuos que son mortales. Es la contaminación radiactiva, capaz de provocar
mutaciones en los genes de las personas y que puede amenazar la supervivencia de muchas especies. Por
último, hay muchas energías que no se pueden usar directamente, sino que debemos transformarlas
para que nos sean útiles.Así, la velocidad del viento o el cauce de los ríos se convierten en energía
eléctrica que en esa forma sí pueden llegar a nuestros hogares. Pero en todas las transformaciones de
un tipo de energía en otro se producen pérdidas de eficiencia. Esas pérdidas provocan una disipación de
calor, es decir si la eficiencia de una transformación es del 90%, significa que el diez por ciento de la
energía original se pierde, convertida en calor.
Es la contaminación térmica que, junto con la contaminación química, contribuye al cambio climático.
Puesto que el origen de todas las energías es el Sol, y su destino en casi todos los casos es acabar en
nuestros enchufes, da la impresión de que lo mejor y más eficiente debería ser transformar la energía
solar directamente en electricidad. En realidad no es así. Más del noventa por ciento de la energía
mundial se produce a partir del carbón, el petróleo y el gas natural, precisamente las tres fuentes de
energía que están a punto de agotarse.
La mayor parte de estas fuentes energéticas se usan como combustible para el transporte y la
calefacción, el resto se usa para convertir agua en vapor, que se hace pasar por una turbina, que hace
girar una dinamo para producir electricidad.
Del resto de la energía que se consume en el mundo, la mitad se produce a partir de plantas nucleares,
(que calientan agua para convertirla en vapor que... etc) que tras demostrar en varias ocasiones lo
peligrosas que pueden resultar para la humanidad, hoy en día se están desmantelando en muchos países
del mundo.
Otra cantidad importante es producida a partir de presas hidroeléctricas, y sorprendentemente esta
resulta ser una de las fuentes de energía más eficientes, ya que más del noventa y cinco por ciento de la
energía cinética del agua durante su caída se convierte en electricidad. (Es lógico, porque mueven una
turbina sin necesidad de calentar el agua ni convertirla en vapor).
Por desgracia hay muy pocos países que tengan ríos suficientes para autoabastecerse de energía, y
aunque una presa no contamina, requiere unas instalaciones costosas y destruye el ecosistema del río
allí donde se instala. (Simplemente pensemos en los peces marinos que desovan en los ríos. Con una
presa en su camino no podrían ir a desovar a donde sus antepasados han desovado desde hace millones
de años). Vista la situación, es lógico que cada vez haya más investigaciones acerca de fuentes de
energía alternativa.Y estas investigaciones se extienden como una rosa de los vientos en todas
direcciones, buscando una fuente abundante que pueda abastecer de energía barata a toda la
humanidad antes de que se agoten las actuales. Las centrales geotérmicas intentan aprovechar las altas
temperaturas del interior de la Tierra para convertir agua en vapor.Una central eólica instala molinos
de viento en la cima de montañas o en extensas llanuras, no para moler trigo ni para sacar agua de un
pozo, sino para mover directamente una turbina, con lo que resulta ser otra fuente energética bastante
limpia.Se han ensayado centrales que separarían una extensa laguna del mar, para que al subir o al
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bajar la marea la laguna se alimente o desagüe por un estrecho canal moviendo una turbina. Hemos
dejado para el final dos formas de energía basadas en el Sol.
La energía termosolar consiste en reflejar la luz solar mediante espejos hacia un horno donde se hace
hervir el agua en una tubería. El gas al expandirse hace mover una turbina produciendo
electricidad.En una versión doméstica se hace circular agua por el interior de un radiador plano
pintado de negro y cubierto con un cristal. El agua del interior de la tubería puede calentarse hasta más
de sesenta grados, tal como un coche en el hipermercado, y es almacenada en un termo para disponer
de agua caliente sin consumir energía. La energía fotovoltaica consiste en convertir directamente la luz
del Sol en corriente eléctrica. Para ello se usan capas superpuestas de silicio con distintas
concentraciones de impurezas que, al capturar fotones de luz solar producen cargas eléctricas que
hacen circular los electrones. Todas estas centrales han dado un resultado más o menos desigual. Todas
son caras, requieren un mantenimiento caro y gran extensión de terreno. La eficiencia de cada tipo de
central es muy variable, ya hemos dicho que la más eficiente es la hidroeléctrica. La nuclear en cambio
apenas llega a un cinco por ciento de eficiencia. Por cada Kw. que envía a la red eléctrica, veinte se
pierden convertidos en calor. Más eficientes resultan la energía eólica, la termosolar y la fotovoltaica,
pero con dos inconvenientes: En los tres casos hacen falta instalaciones muy extensas y en los tres casos
se depende de los caprichos del clima. En realidad estos tres medios de producir energía se podrían
instalar a pequeña escala en los tejados de los edificios con lo que se conseguiría reducir en gran
cantidad lo que pagamos a las compañías eléctricas. Lo ideal sería vivir en el campo, poner un
generador eólico en una esquina de la parcela, instalarse una placa termosolar en el tejado para tener
agua caliente y cubrir el resto del tejado de placas fotovoltaicas para producir energía eléctrica. Las
placas fotovoltaicas que se fabrican hoy en día producen unos ciento cincuenta watios por metro
cuadrado.
En un mes hay 720 horas, de las que 360 son de día. Durante la mitad de esas 360 horas, el sol está tan
bajo en el cielo que su potencia es inferior a la mitad que a medio día. En resumen, es como si sólo
dispusiéramos de 180 horas a pleno rendimiento.
La producción total de energía resulta ser de 180h X 150W/m² = 27 Kwh./m² En el mes de Junio, una
familia normal viene a consumir unos 250 Kwh. al mes, es decir que con diez metros cuadrados de
paneles solares habría de sobra para abastecerse de corriente eléctrica.En diciembre el consumo de esa
familia normal viene a duplicarse, pero en una casa en el campo preparada de forma conveniente, con
placas termosolares, suelo radiante y electrodomésticos de bajo consumo, el incremento no tiene que ser
tan elevado.Ademas, en invierno hay menos horas de sol que en verano, por lo que en previsión de
problemas es conveniente aumentar un poco la superficie de paneles solares. Quince metros estaría
bien. El resto de las necesidades energéticas se compensará con el generador eólico: en invierno hay
muchas más horas de viento que en verano. Hay un grave inconveniente: Los molinos y las placas
fotovoltaicas son caras (las termosolares no son caras, y es una magnífica inversión para quien quiera
tener agua caliente durante diez meses al año sin consumir un solo watio).Como la energía no se
produce a las mismas horas a las que se ha de consumir, se necesita disponer de baterías, y como la
electricidad generada por las placas fotovoltaicas es continua, necesitamos un inversor que la
conviertaen corriente alterna. Y las baterías también son caras.
El resultado es que una instalación particular que conjunte estos tres medios podría ser autosuficiente
pero con una inversión de entre dos y tres millones de pesetas. El estado, aquí en España, por lo menos,
subvenciona el cuarenta por ciento de la inversión, pero aún así, el período de amortización de la
instalación superaría los diez años.En definitiva, las instalaciones particulares de autoabastecimiento
eléctrico, tienen sentido para quien tenga una casa en el campo. Quien viva en las ciudades, la mayoría
de nosotros, no puede recurrir a estos medios de producción de energía, por lo que tendremos que
seguir comprando la energía a las compañías eléctricas. Pero esto es si pensamos sólo en la superficie de
la Tierra. ¿Qué pasaría si instaláramos los paneles solares en el espacio? En el espacio los paneles
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podrían estar siempre orientados hacia el Sol, captando la máxima potencia las veinticuatro horas del
día. No hay nubes, ni lluvia ni viento, por lo que los paneles están siempre limpios conservando el cien
por cien de su eficacia.Cierto que habría que enviar la energía a la Tierra, y, de entre varios sistemas
posibles, el más eficiente es la transmisión de energía en forma de rayo de microondas. Mientras no
avancemos en el estudio de la conversión fotovoltaica, la luz se seguirá convirtiendo en electricidad con
una eficiencia del 15%. El 85% restante se convierte en calor, pero como estamos en el vacío del espacio
ese calor se disipa sin provocar ningún tipo de contaminación térmica en la Tierra. Con la electricidad
se genera un rayo de microondas que se envía a la Tierra donde una antena receptora capta ese rayo y
lo vuelve a convertir en electricidad.La eficiencia de estas dos últimas conversiones,
electricidad−microondas y microondas−electricidad es de más del 70%, es decir, menos del treinta por
ciento de la energía se transformaría en calor.Para asegurarnos de que el satélite solar esté siempre
sobre la antena receptora, se debe colocar en una órbita geoestacionaria, a 36.000 Km de altura.Una
vez rehechos todos los cálculos teniendo en cuenta que el tiempo de exposición al sol no es de un 25%
que en la Tierra, sino el 100% y que no hay nubes ni polvo ni atmósfera, llegamos a la conclusión de
que un satélite solar de menos de un Km² de superficie puede generar tanta energía como una extensión
de 10 Km² en la superficie de la Tierra, extensión que, como vimos antes, sería suficiente para una
ciudad de un millón de habitantes, eliminando de paso todos los problemas planteados por la
contaminación térmica.Para captar la energía enviada desde el espacio, construiremos una antena que
cubra una extensión de cinco Km². Esta antena no generará apenas calor residual, y el terreno bajo ella
puede seguir siendo útil para la agricultura.
Para una ciudad de diez millones de habitantes se necesitarían diez kilómetros cuadrados de paneles
solares en el espacio, pero la antena receptora construida en la superficie de la Tierra no tiene por qué
ser más grande, la misma antena de 5 Km² puede recibir más cantidad de energía e incluso rayos de
microondas de varios satélites solares al mismo tiempo.Colocando sesenta satélites de cien kilómetros
cuadrados cada uno en órbita, abasteceríamos de energía electrica a toda la población mundial sin que
hubiera que consumir más combustibles contaminantes.
Las centrales nucleares podrían ser cerradas, las centrales hidroeléctricas recuperadas para la
naturaleza, las minas de carbón cerradas. La energía será mucho más barata, tanto que se podrá llevar
con muy poco costo a los lugares más recónditos del planeta para ponerla al servicio de todos los
pueblos.En fin, cada vez hay más gente convencida de que construir satélites solares en órbita podría
resolver en un plazo sorprendentemente corto los problemas energéticos de la Humanidad.
Producto de solubilidad
Constante que indica en una disolución saturada de un electrolito poco soluble el producto de las
concentraciones de los iones, elevada cada una a un exponente igual al coeficiente estequiométrico con el que
aparecen en la ecuación de disociación. Incluso las sustancias más insolubles tienen alguna solubilidad, de
modo que una sal insoluble en contacto con el líquido de donde ha sido precipitada está en equilibrio con sus
iones, que se depositan continuamente sobre la superficie del sólido, a la vez que de éste pasa a la disolución.
La constante que mide este equilibrio es el producto de solubilidad. Así, sólo pueden existir en disolución
concentraciones de los iones que permitan que el producto de solubilidad permanezca constante. Para que una
sal precipite, el producto de las concentraciones de los iones elevadas a sus coeficientes estequiométricos ha
de ser mayor que su producto de solubilidad.
Velocidad y mecanismos de las reacciones químicas
En algunos casos, como en la combustión, las reacciones se producen de forma rápida. Otras reacciones, como
la oxidación, tienen lugar con lentitud. La cinética química, que estudia la velocidad de las reacciones,
contempla tres condiciones que deben darse a nivel molecular para que tenga lugar una reacción química: las
moléculas deben colisionar, han de estar situadas de modo que los grupos que van a reaccionar se encuentren
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juntos en un estado de transición entre los reactivos y los productos, y la colisión debe tener energía suficiente
(energía de activación) para que se alcance el estado de transición y se formen los productos. Las reacciones
rápidas se dan cuando estas tres condiciones se cumplen con facilidad. Sin embargo, si uno de los factores
presenta cierta dificultad, la reacción resulta especialmente lenta. La velocidad de la reacción aumenta en
presencia de un catalizador, una sustancia que no resulta alterada o se regenera, por lo que el proceso
continúa. La mezcla de gases hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente no explota, pero si se añade platino
en polvo la mezcla explosiona al cubrirse la superficie del platino con el oxígeno adsorbido. Los átomos de
platino alargan los enlaces de las moléculas de O2, debilitándolos y rebajando la energía de activación. Los
átomos de oxígeno reaccionan rápidamente con moléculas de hidrógeno, colisionando contra ellas y formando
agua y regenerando el catalizador. Las fases por las que pasa una reacción constituyen el 'mecanismo de
reacción'. La velocidad de la reacción puede modificarse no sólo con catalizadores, sino también mediante
cambios en la temperatura y en las concentraciones. Al elevar la temperatura se incrementa la velocidad a
causa del aumento de la energía cinética de las moléculas de los reactivos, lo que provoca un mayor número
de colisiones por segundo y hace posible la formación de estados de transición. Con el aumento de la
concentración se consigue incrementar la velocidad de la reacción, al aumentar el número y la velocidad de
las colisiones moleculares.
Equilibrio químico
A medida que la reacción tiene lugar, disminuye la concentración de los reactivos según se van agotando. Del
mismo modo, la velocidad de la reacción también decrece. Al mismo tiempo aumentan las concentraciones de
los productos, tendiendo a colisionar unos con otros para volver a formar los reactivos. Por último, la
disminución de la velocidad de la reacción directa se equipara al incremento de la velocidad de la reacción
inversa, y cesa todo cambio. El sistema está entonces en 'equilibrio químico', en el que las reacciones directa e
inversa tienen lugar a la misma velocidad. Los cambios en sistemas en equilibrio químico se describen en el
principio de Le Châtelier, que debe su nombre al científico francés Henri Louis Le Châtelier. Según este
principio, cualquier intento de cambio en un sistema en equilibrio provoca su reacción para compensar dicho
cambio.
.
Por Lon J. Mathias
Mucho antes de que existieran los plásticos y los polímeros sintéticos, remontándonos a los mismos orígenes
de la tierra, la naturaleza se valía de los polímeros naturales para hacer posible la vida. No pensamos en los
polímeros naturales de la misma manera que lo hacemos con los polímeros sintéticos, porque no podemos
adjudicárnoslos como maravillas de nuestra propia ingenuidad y las compañías químicas no los pueden vender
en busca de grandes ganancias. Sin embargo, eso no hace que los polímeros naturales sean menos
importantes; de hecho, en muchos sentidos, son más importantes.
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Los polímeros naturales incluyen al ARN y al ADN, vitales en genes y en los procesos de la vida. Por cierto,
el ARN mensajero es el que hace posible la existencia de las proteínas, los péptidos y las enzimas. Las
enzimas colaboran en la química interior de los organismos vivientes y los péptidos conforman algunos de los
componentes estructurales más interesantes de la piel, el cabello e inclusive los cuernos de los rinocerontes.
Entre otros polímeros naturales se encuentran incluidos los polisacáridos (azúcares) y los polipéptidos como la
seda, la queratina y el cabello. El caucho natural es también un polímero natural, constituido sólo por carbono
e hidrógeno. Veamos más de cerca cada una de las principales familias de polímeros naturales.
Polisacáridos
ADN y ARN
El ARN y el ADN contienen estructuras poliméricas basadas en unidades de azúcares. Esto los convierte en
polisacáridos, aunque en el caso del RNA y el DNA existen grupos perfectamente ordenados unidos a las
unidades de azúcares, que les confieren a dichos polímeros sus particularidades tan especiales.
Madera y Papas
Otra familia de polisacáridos incluye al almidón y la celulosa. El almidón es un polisacárido de alto peso
molecular. Alimentos como el pan, el maíz y las papas se encuentran llenos de almidón. El almidón puede
tener hasta 10.000 unidades de azúcar unidas entre sí. El modo en que se encuentran enlazadas estas unidades,
ya sea en forma lineal o con algunas de ellas formando ramificaciones, determina el tipo de almidón o
polisacárido (más adelante ampliaremos detalles). Otro importante miembro de la familia de los polisacáridos
es la celulosa. Es el principal polímero constituyente de las plantas y los árboles. La madera es principalmente
celulosa. Este polímero es distinto al almidón. (Haga clic aquí para descubrir más.) El almidón es soluble en
agua caliente y con él pueden hacerse útiles objetos. La celulosa, por otra parte, es altamente cristalina y
prácticamente no se disuelve en nada. El algodón es una forma de celulosa que empleamos en casi toda
nuestra ropa. El hecho de que sea insoluble en agua caliente es importante. De lo contrario, nuestra ropa se
disolvería al lavarla. La celulosa posee también otra fantástica propiedad que hace posible que se vuelva lisa y
achatada cuando la humedecemos y le pasamos una plancha caliente por encima. Esto hace que nuestra ropa
de algodón se vea elegante (al menos por un tiempo) pero no obstante permite una fácil limpieza cada vez que
la lavamos.
¡Quitina: El Polímero de los Amantes de los Mariscos Dentro Suyo!
Otro miembro de los polisacáridos es la quitina. Constituye el caparazón de los langostinos, camarones,
cangrejos, langostas de mar y otros crustáceos. Es rígida, insoluble... y en cierto modo flexible. Hasta ahora no
hemos logrado hacer polímeros sintéticos que posean esta maravillosa combinación de propiedades. Tampoco
hemos descubierto qué hacer con la quitina, si bien empleamos la celulosa para un montón de aplicaciones
químicas y para fabricar papel, casas de madera, calzado de madera, etc. Existe un gran campo de
investigación acerca de los usos de la quitina para diferentes cosas y quizás algún día podamos hacer ropas o
plásticos a partir de ella. Es un área de investigación sumamente importante desde el momento en que se
emplean polímeros naturales que provienen de deshechos o recursos renovables. (¿Usted sabe cuántos
camarones pierden anualmente sus caparazones para nosotros?)
Químicamente la quitina es poli(N−acetilglucosamina). Aquí está su estructura:
Aprendemos de la Naturaleza
A medida que usted vaya observando más de cerca a cada miembro de estas familias de polímeros naturales,
recuerde ésto: la naturaleza nos ganó de mano, ¡y cómo! Uno de nuestros trabajos como científicos es
averiguar cómo la naturaleza hace un determinado trabajo, así podemos imitarla. Por ejemplo, una vez que
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averiguamos por qué la seda poseía esas asombrosas propiedades, fuimos capaces de hacer seda sintética en
forma de nylons. Aún nos queda un largo camino por recorrer, sin embargo, antes de que podamos hacer ARN
y ADN sintéticos, lo cual conducirá a la vida sintética. Quizás nunca lleguemos a eso y sólo nos quedemos
averiguando cosas que nos conduzcan a una variedad de importantes desarrollos en polímeros sintéticos y
otras áreas, incluyendo la medicina y la bioquímica. Esto plantea la importante cuestión de que la ciencia es
como la vida. No se relaciona sólo con una cosa, sino con un conjunto. La ciencia de polímeros no es la única
ciencia e inclusive puede no ser la ciencia más importante (¡aunque en los negocios nos guste pensar eso!). Es
una de las áreas que nos pueden ayudar a comprender y emplear el conocimiento que obtenemos a partir del
estudio de la naturaleza. En ese sentido, desarrollamos tecnología.
(Nota: Sólo para aclarar esta eterna cuestión de ciencia y tecnología, digamos que ambas cosas son diferentes.
La ciencia es el acto de recoger conocimiento mediante la observación y la experimentación. La tecnología es
poner este conocimiento en acción. Ejemplo: mediante la ciencia aprendemos que los gases calientes se
expanden. Luego, mediante la tecnología, empleamos el principio de expansión de los gases calientes para
fabricar un motor a nafta que pueda hacer arrancar un auto. ¿Ve cómo funciona?)
Proteínas y Polipéptidos
Proteínas
Las proteínas fueron los primeros ejemplos de poliamidas (una palabra elegante para el nylon). Ambos
comparten muchos rasgos en común, pero son muy distintos en su estructura y en sus propiedades físicas. Son
similares en el sentido de que ambos contienen enlaces amida en la cadena principal. Las amidas provienen de
los ácidos carboxílicos y las aminas, a través de la pérdida de agua. (Para más detalles, haga clic aquí.) El
segmento molecular amida es muy particular en su estructura y en las interacciones intermoleculares. Debido
a la hibridación del nitrógeno, el carbono y el oxígeno del grupo amida, el segmento es básicamente plano.
Más importante aún, el hidrógeno unido al nitrógeno y el oxígeno del carbonilo pueden originar una fuerte
interacción denominada enlace por puente de hidrógeno. Por esta razón, los grupos amida se unen entre sí, de
modo de formar fuertes asociaciones que le confieren propiedades inusuales a los polímeros que los
contienen. Este tipo de interacción también es discutido en la sección de los nylons y es la similitud clave
entre las poliamidas naturales y sintéticas.
La diferencia entre cómo la naturaleza hace los nylons y cómo los hacemos nosotros, es notable. Nosotros
partimos especialmente de moléculas que tienen muchos grupos CH2 en su estructura. La sección de los
nylons muestra las estructuras del nylon 6 y el nylon 6,6, dos de las poliamidas sintéticas más comunes. Estas
poseen cuatro, cinco, o seis grupos CH2 entre las unidades amida. La naturaleza, no obstante, es mucho más
económica, ya que eligió emplear un único átomo de carbono entre grupos amida. Lo que la naturaleza realiza
en forma diferente, es sustituir este carbono con una gran cantidad de grupos y distintos segmentos
funcionales.
Esto resulta en dos propiedades clave. En primer lugar, los segmentos individuales y la molécula entera son
ópticamente activos, o quirales. Esto significa que son como los guantes: sólo hay una versión derecha y una
izquierda. Por alguna razón, la naturaleza eligió emplear sólo la versión izquierda de los aminoácidos que son
sintetizados por las plantas y los animales. El hecho de que sea empleado sólo uno de los dos isómeros
conduce a algunas consecuencias estereoquímicas asombrosas. Por ejemplo, los polipéptidos naturales pueden
formar estructuras helicoidales, mientras que los nylons no. Las conformaciones helicoidales incrementan la
estabilidad de los polipéptidos naturales. ¿Sabía usted que ciertas bacterias pueden sobrevivir en agua
caliente? Esto es porque sus polímeros naturales han sido estabilizados por esas estructuras helicoidales. La
figura de abajo muestra una de ellas, llamada ð−hélice. Los pequeños segmentos de esas estructuras
helicoidales son los que la naturaleza emplea para moldear las enzimas en ciertas formas, de modo que puedan
realizar su magia catalítica. Por ejemplo, un segmento flexible ovillado al azar puede estar conformado por
dos segmentos ð−hélice, de modo de poder reaccionar en algún sustrato.
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Enzimas
Las enzimas son unos de los principales tipos de polipéptidos y son cruciales para la vida en la tierra. Todos
los organismos vivientes emplean enzimas para hacer, modificar y cortar los polímeros que hemos discutidos
aquí. Las enzimas son catalizadores destinados a trabajos específicos. Con gran frecuencia, cada enzima
realiza sólo un tipo de tarea o una sola clase de molécula. Esto significa que debe haber montones de enzimas
diferentes, todas constituidas por distintas combinaciones de aminoácidos unidos de modos únicos en los
polipéptidos, para realizar todas las tareas que cualquier organismo viviente necesita. Sabemos que cada
criatura sobre la tierra posee cientos o aún miles de enzimas diferentes para realizar lo que la misma requiere.
Lo realmente extraño es que cada una de las enzimas tiene que estar constituida por otras enzimas. Esto
conduce a mecanismos de control sumamente complicados: no tenemos ni la más mínima idea (en la mayoría
de los casos) de cómo y cuándo la naturaleza decide qué enzimas son necesarias, ni cómo éstas son activadas
o desactivadas. Estamos comenzando a descubrirlo y el estudio de estos sistemas constituye una importante
parte de la bioquímica y la biología.
Recorriendo el Camino de la Seda
Uno de los polipéptidos exclusivos que empleamos desde los comienzos dado a sus excelentes propiedades
fue la seda. La seda fue descubierta por los chinos, mucho antes del nacimiento de Cristo. Está constituida por
diminutas orugas tratando de hilar capullos para su transformación en mariposas. Nosotros les robamos la
seda a las orugas, lo cual las deja sin hacer nada. La seda es hilada para formar fibras. Las agrupaciones de
delgados polímeros individuales conducen a un material más resistente. Esta es la forma en la que hacemos
sogas, por medio de débiles hebras individuales unidas entre sí, de modo tal de que el conjunto sea flexible y
resistente. Por tratarse de un polipéptido, la estructura de las moléculas de seda es inusual. Posee montones de
glicina, un aminoácido no sustituido. Los segmentos de glicina son capaces de formar cadenas planas
extendidas que pueden empaquetarse perfecta y apretadamente. Esto le confiere a la seda su particular
resistencia y su lustrosa flexibilidad. Estas propiedades exclusivas, especialmente en los climas cálidos y
húmedos, hizo que la seda dominara el comercio en el oriente durante siglos. El comercio de la seda entre
China y Japón controló la economía de las civilizaciones en esa región por mucho más tiempo del que cada
país quiere admitir. Inclusive en Estados Unidos, la seda fue importante antes de la Segunda Guerra Mundial,
para la fabricación de medias. Cuando fue luego empleada para hacer cuerdas de paracaídas, las mujeres
norteamericanas se vieron sumamente disgustadas. Esto provocó que las compañías químicas se pusieran a
sintetizar seda artificial, el nylon, para hacer medias de nylon y así permitir que las mujeres mantuvieran sus
pies tibios y los hombres volvieran a luchar en sus guerras.
Otra diferencia esencial entre los polipéptidos y los nylons es la forma en la que están constituidos. Los
humanos hacemos toneladas de nylons por día en inmensas plantas químicas, donde se unen moléculas
simples en grandes cantidades, para dar productos que deseamos o necesitamos. La naturaleza es mucho más
cuidadosa y concisa en cómo hacer las cosas. Por cada organismo viviente que fabrique una enzima, debe
estar involucrada otra enzima u otras especies activas. La síntesis siempre involucra un patrón o un registro de
cómo se unen los aminoácidos individuales para dar el polímero final. Este patrón o mapa, es el ARN
mensajero (mARN). El mensaje que lleva, obviamente, es cómo la enzima involucrada en la fabricación del
péptido debe hacer el polipéptido. Cada aminoácido es conducido a la enzima por una molécula portadora y es
activado para la incorporación por una diversa secuencia de reacciones. La enzima agrega un aminoácido por
vez, de acuerdo a lo indicado por el mARN. Este es un proceso lento y tedioso, y lleva mucho tiempo. A
veces la enzima se frustra esperando el aminoácido correcto y en su lugar, coloca uno equivocado. Para
compensarlo, la enzima retrocede ocasionalmente para verificar su trabajo. Si ha cometido un error, comienza
un proceso de remoción del aminoácido equivocado para insertar el correcto. Los humanos nunca hacemos
ésto. Si cometemos un error, simplemente rompemos todo y lo tiramos.
Nuestras Limitadas Capacidades
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Estamos comenzando a comprender cómo la naturaleza agrupa estas moléculas y hemos encontrado la forma
de hacerlo nosotros mismos. Sin embargo, no somos muy buenos en ésto y no podemos lograr que las grandes
moléculas varíen de modo eficiente. La razón es que si cometemos un error, arruinamos toda la molécula y no
sabemos cómo repararla. El instrumento que fue empleado para fabricar análogos sintéticos de polipéptidos se
llama "sintetizador de péptidos". Dicho instrumento está construido alrededor de diminutas hebras de
polímero que unimos al primer aminoácido que deseamos colocar en nuestra cadena polipeptídica. (Esto se
denomina Método de Síntesis de Merrifield. El empleo de hebras poliméricas fue una idea sumamente
creativa y Robert Merrifield ganó el premio Nobel por ésto, allá en los años '50). Podemos tomar un
aminoácido activado, similar a lo que emplea la naturaleza y unirlo por medio de un enlace amida. Repetimos
este proceso una y otra vez, tratando de que esta reacción se verifique en todo momento, en cada molécula y
en cada hebra. A veces no somos muy afortunados y perdemos algún aminoácido. Esto quiere decir que
algunos de los polipéptidos tienen unidades faltantes, lo cual siempre conduce a mezclas de productos buenos
y malos, en los cuales los primeros pueden ser los minoritarios. Esto empeora cuanto más grande sea el
polipéptido que estamos tratando de hacer y es uno de los principales problemas que tenemos en la
fabricación de polipéptidos. Si pudiéramos descubrir cómo volver atrás y revisar cada una de nuestras
adiciones, corrigiendo los errores que vayamos cometiendo, quizás podríamos hacer un trabajo tan bueno
como el de la naturaleza. Quizás.
Usted probablemente se esté preguntando porqué querríamos hacer el mal trabajo de fabricar análogos
sintéticos que la naturaleza realiza tan bien (y si no se lo está preguntando, de todos modos coopera). Existen
muchas razones, una de las cuales es simplemente descubrir cómo lo hace la naturaleza. Otra es averiguar
porqué los péptidos y las enzimas trabajan de la forma en que lo hacen. No siempre es claro para nosotros,
meros mortales, porqué una secuencia dada de aminoácidos hace que un polipéptido asuma una cierta forma o
estructura. Estas estructuras son cruciales para saber cómo los polipéptidos hacen el trabajo que la naturaleza
les encomendó. A veces, cuando comprendemos el modo en que la naturaleza une estas moléculas, podemos
hacer análogos sintéticos que cumplan la misma función, pero que sean más fáciles de fabricar. Esto ha
conducido al desarrollo de nuevas drogas y al tratamiento de algunas enfermedades genéticas.
La naturaleza también hace cosas en forma diferente a nosotros, sintetizando polipéptidos en agua. La mayor
parte de nuestras síntesis, de hecho, no emplean agua. Sintetizamos nuestras poliamidas en tóxicos solventes
orgánicos. Esto nos ocasiona un problema: ¿qué hacemos con los solventes orgánicos cuando terminamos la
síntesis? A veces los incineramos, pero más frecuentemente, intentamos reciclarlos. En primer lugar, no sólo
se están cotizando cada vez más caros (comparados con la económica agua que tenemos en todas partes, o en
casi todas) sino que debemos responsabilizarnos de su reciclado, purificación y ubicación final. Un ejemplo
de cómo la naturaleza emplea el agua en este sentido y que ni siquiera hemos averiguado aún, es la
producción de seda de araña. Las arañas tejen sus telas a partir de soluciones de polipéptidos en agua. Estas
soluciones pasan a través de la diminuta glándula hilandera de la araña y son rápidamente extendidas para
formar las telarañas que todos hemos visto y a veces en las que nos hemos enredado. Lo realmente extraño es
que una vez que estas telarañas se forman, ya no son solubles en agua. Si tan sólo pudiéramos averiguar cómo
las arañas hacen primero la seda en agua y luego tejen sus telas a partir de la misma, podríamos hacer nylon
de la misma forma. Esto nos ahorraría muchos problemas de tratamiento de residuos... y dinero. Esta es un
área de investigación básica donde necesitamos mucha ayuda; quizás usted pueda pensar algo que podríamos
probar.
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