Estructura de la materia SISTEMAS MATERIALES

Estructura de la materia
SISTEMAS MATERIALES
Todos los objetos que nos rodean son materia y cada objeto, considerado en particular, se denomina sistema
material.
Materia es todo aquello que ocupa espacio y tiene masa.
Un sistema material es una porción de materia que se considera de forma aislada para su estudio.
Una sustancia es un tipo concreto de materia.
Propiedades de los sistemas materiales
• Propiedades generales. No aportan información sobre el tipo de sustancia que constituye el sistema
y dependen de su cantidad. No nos permiten diferenciar una sustancia.
♦ La masa mide la cantidad de materia de un sistema material. Su unidad en el SI es el kg. La
masa se mide con balanzas, que pueden ser granatario o digitales.
♦ El volumen indica la cantidad de espacio que ocupa un sistema material. Su unidad en el SI
es el m3. Si la temperatura aumenta, los sistemas materiales tienden a dilatarse. Si la
temperatura disminuye, tienden a contraerse.
El volumen de lÃ−quidos se mide con una probeta, y el de los sólidos depende de su forma. Si son regulares,
se calcula aplicando las fórmulas matemáticas conocidas. Si son irregulares, se utiliza el método de
inmersión ayudándonos de un lÃ−quido.
♦ La temperatura es la cantidad de energÃ−a interna de un sistema termodinámico. Su
unidad en el SI son los ºK. La temperatura se mide con termómetros, que pueden ser de
mercurio (15/50ºC), digitales (35/42ºC), clÃ−nicos (35/42ºC) o de máxima y
mÃ−nima (máxima: -30/50ºC mÃ−nima: -50/30ºC).
• Propiedades especÃ−ficas. Dependen de la clase de sustancia que constituye el sistema, no de su
cantidad. Nos permiten diferenciar una sustancia.
♦ La densidad es la masa que corresponde a un volumen de unidad. Su unidad en el SI es el
kg/m3. La densidad se mide dividiendo la masa entre el volumen de un objeto. d=m/v.
Sustancias naturales y artificiales
◊ Las sustancias naturales son las que existen en la naturaleza.
◊ Las sustancias artificiales son las que están fabricadas por el hombre y no tienen
referente igual en la naturaleza.
◊ Las sustancias sintéticas son las que están fabricadas en el laboratorio pero ya
existen en la naturaleza.
ESTADOS DE AGREGACIÃ N
CaracterÃ−sticas de los sólidos:
• Tienen volumen fijo
• Tienen forma fija
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• No se pueden comprimir
• No fluyen por sÃ− mismos
CaracterÃ−sticas de los lÃ−quidos:
• Tienen volumen fijo
• No tienen forma fija
• Son poco compresibles
• Fluyen a través de pequeños agujeros que se difunden
CaracterÃ−sticas de los gases:
• Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene
• No tienen forma fija
• Son fácilmente comprensibles
• Se difunden y tienden a mezclarse con otros gases
*El vapor de agua es invisible. Es un error decir que las nubes están formadas por vapor de agua, porque si
fuera asÃ− no se verÃ−an. Las nubes están formadas por pequeñas gotas de agua lÃ−quida que se han
formado al enfriarse el vapor de agua procedente de la evaporación.
Cambios de estado:
Procesos de vaporización:
• La evaporación es una vaporización lenta que se realiza sólo en la superficie de los lÃ−quidos y a
cualquier temperatura.
• La ebullición es una vaporización tumultuosa que se realiza en toda la masa del lÃ−quido. Para
una presión determinada, cada lÃ−quido tiene una temperatura de ebullición caracterÃ−stica. Las
leyes de ebullición son:
• Durante la ebullición, la temperatura permanece constante, y se absorbe energÃ−a.
• Para una presión dada, cada lÃ−quido hierve a una temperatura: la temperatura de ebullición, que
aumenta o disminuye al variar la presión ejercida.
Temperaturas de fusión y ebullición
La temperatura de fusión (Tf) es la temperatura a la que una sustancia se funde, a presión
atmosférica.
La temperatura de ebullición (Te) es la temperatura a la que una sustancia hierve, a presión
atmosférica.
El calor latente de cambio de estado indica la cantidad de energÃ−a que hay que aportar o retirar a
una sustancia para que cambie de estado.
El calor latente de fusión es la energÃ−a que hay que dar a 1g de una sustancia sólida a su
temperatura de fusión para convertirla en lÃ−quida a la misma temperatura.
El calor latente de vaporización es la energÃ−a que hay que dar a 1g de sustancia lÃ−quida a su
temperatura de ebullición para convertirla en gas a la misma temperatura.
TEORÃ A CINÃ TICA
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*En un mm3 de aire caben 3·1016 de partÃ−culas separadas entre sÃ− por distancias diez veces
superiores a su diámetro. Las partÃ−culas se mueven de manera desordenada, chocando entre sÃ− y
con las paredes del recipiente con velocidades enormes. La velocidad depende de la temperatura, pero
siempre supera los 1.000 km/h. Por tanto, no es de extrañar que los cientÃ−ficos hablen del “caos
molecular”.
TeorÃ−a cinético-molecular
Los primeros intentos de explicar la constitución de la materia se centraron en los gases.
El primer modelo de gases, el modelo estático, estuvo ligado a la teorÃ−a del calórico: se
suponÃ−a que el calor era una sustancia denominada calórico y que al calentar un gas, sus
partÃ−culas aumentaban de volumen porque el calórico se colocaba alrededor de ellas aumentando
su tamaño y el volumen.
Robert Boyle propuso el modelo cinético para explicar las propiedades de los gases. El modelo fue
completado por Bernoulli y suponÃ−a que el gas estaba formado por numerosas partÃ−culas que se
movÃ−an rápidamente en todas direcciones.
Para explicarlo, Clausius, Maxwell y Boltzmann desarrollaron la teorÃ−a cinético-molecular:
♦ PartÃ−culas en movimiento. Un gas consiste en un conjunto de partÃ−culas individuales en
movimiento rectilÃ−neo al azar, que chocan con las paredes del recipiente o entre ellas sin
pérdida de energÃ−a.
♦ Volumen de las partÃ−culas. El volumen de cada partÃ−cula es extremadamente pequeño
comparado con el volumen del recipiente.
♦ Fuerzas entre partÃ−culas. El movimiento y disposición de las partÃ−culas queda
determinado por dos tipos de fuerzas: unas atractivas o de cohesión que tienden a
mantenerlas unidas y otras repulsivas o de dispersión que tienden a alejarlas.
El modelo cinético también es aplicable en lÃ−quidos y sólidos.
En los lÃ−quidos, las fuerzas de atracción entre partÃ−culas son lo bastante fuertes para
mantenerlas juntas, por lo que tienen un volumen definido, pero es inevitable que se deslicen unas
respecto a otras, por lo que se pueden verter y adoptan la forma del recipiente.
En los sólidos, las fuerzas de atracción son tan intensas que fijan las partÃ−culas en sus posiciones.
Si sus estructuras son ordenadas se denominan cristales y si no lo son se denominan amorfos.
El movimiento browniano
El botánico Brown observó que los granos de polen suspendidos en un agua inmóvil, se
desplazaban. Por eso se creyó que estaban vivos. Pero Wiener descubrió que era porque las
partÃ−culas de agua que se desplazaban, chocaban contra el polen, haciendo que se desplazara. Este
proceso se conoce como movimiento browniano.
TeorÃ−a cinética y temperatura
El movimiento térmico es el movimiento de las partÃ−culas en estado gas.
Si se aporta energÃ−a al gas, aumenta la velocidad media de sus partÃ−culas y, por lo tanto, la
energÃ−a cinética media. Como consecuencia de ello, aumenta su temperatura.
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La temperatura de un sistema material es proporcional a la energÃ−a cinética media de sus
partÃ−culas.
La escala absoluta de temperaturas tiene como unidad el K y su valor mÃ−nimo es el cero absoluto, a
_273,16ºC. A esa temperatura, las partÃ−culas de cualquier sistema material están inmóviles.
Un sistema fÃ−sico está en equilibrio térmico si no intercambia energÃ−a con el ambiente, es
decir, si está a su misma temperatura. Esa temperatura se llama temperatura de equilibrio.
TeorÃ−a cinética y presión
La presión que ejerce un gas es consecuencia de los choques de sus partÃ−culas contra las paredes
del recipiente.
♦ Cambio de volumen a temperatura constante:
Si disminuye el volumen, manteniendo constante la temperatura, la frecuencia de los choques es
mayor y, como consecuencia, la presión aumenta.
♦ Cambio de temperatura a volumen constante:
Si la temperatura aumenta, a volumen constante, la energÃ−a cinética media de las partÃ−culas
aumenta. La intensidad de los choques y su frecuencia será mayor y la presión aumenta.
Los cambios de estado según la teorÃ−a cinética
♦ Al aumentar la temperatura de un sistema aumenta la energÃ−a cinética media de sus
partÃ−culas y su movilidad, con lo que se favorecen los cambios de estado progresivos:
sólidoâ lÃ−quidoâ gas
♦ Al aumentar la presión aumentan las fuerzas de cohesión y se favorecen los cambios
regresivos: gasâ lÃ−quidoâ sólido
Ley de Boyle-Mariotte
Para una masa determinada de gas a temperatura constante, el volumen del gas es inversamente
proporcional a su presión. Pv=cteâ p=cte/v
Leyes de Charles-Gay-Lussac
♦ Primera ley: la relación volumen-temperatura. El volumen de una cantidad fija de gas a
presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
v1/T1=v2/T2=cteâ v=cte·T
♦ Segunda ley: la relación presión-temperatura. La presión de una cantidad fija de gas a
volumen constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta.
P1/T1=P2/T2=cteâ P=cte·T
ELEMENTOS Y COMPUESTOS
Sustancias puras y mezclas
Una sustancia pura es aquella que no puede descomponerse en otras más elementales por
procedimientos fÃ−sicos sencillos y que presenta una composición y propiedades fijas en toda su
masa.
Las sustancias puras no suelen encontrarse solas, sino formando mezclas.
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♦ Los sistemas materiales heterogéneos son los que, cuando se observan a simple vista o con
microscopio, muestran partes diferenciadas que tienen distintas propiedades.
♦ Los sistemas materiales homogéneos son los que presentan un aspecto uniforme incluso
cuando se observan al microscopio. Tienen las mismas propiedades en cualquiera de sus
partes. También se llaman disoluciones.
Las mezclas heterogéneas
Un sistema material heterogéneo formado por varias sustancias se denomina mezcla
heterogénea.
Si las partÃ−culas son muy pequeñas, pueden quedar dispersas formando una suspensión.
Las mezclas heterogéneas cuyas partÃ−culas tienen un tamaño comprendido entre 10-6 y
2·10-4 mm se llaman dispersiones coloidales o coloides.
Separación de los componentes de las mezclas heterogéneas
♦ Componentes con distinto estado de agregación:
◊ Filtración. Se pasa la mezcla por un material filtrante con poros de menor tamaño
que las partÃ−culas que queremos separar.
♦ Componentes con distinta densidad:
◊ Sedimentación. Se deja separar por acción de la gravedad.
◊ Decantación. Se separan lÃ−quidos inmiscibles con un embudo de decantación.
◊ Centrifugación. Mediante una rotación, incrementa las diferencias de peso de
componentes de distinta densidad.
♦ Componentes con distinta solubilidad.
◊ Disolución selectiva. Se mezclan con un disolvente y uno de ellos se disolverá
mientras el otro permanecerá igual.
Las mezclas homogéneas
Un sistema material homogéneo formado por la mezcla de dos o más componentes se denomina
disolución (dom) o mezcla homogénea.
Se llama disolvente (dte) al componente mayoritario.
Se llama soluto (sto) al componente minoritario.
Se consideran disoluciones si sus partÃ−culas de soluto son menores que 10-6 mm.
*Unas mezclas usuales son las bebidas carbónicas. Estas bebidas son una disolución en estado
lÃ−quido que lleva disuelto un gas: el dióxido de carbono. Cuando un gas se disuelve en un
lÃ−quido, la solubilidad disminuye al hacerlo la presión. Si la botella está cerrada, el lÃ−quido se
halla sometido a una determinada presión, y la disolución tiene disuelta una cantidad grande de
dióxido de carbono. Al abrir la botella, disminuyen la presión y la solubilidad del gas. El exceso de
gas disuelto sale de la botella arrastrando con él algo de lÃ−quido. Esta es la espuma que sale de la
botella.
Concentración de una disolución
Según la proporción de soluto y disolvente, la disolución puede ser:
♦ Diluida, la cantidad de soluto es pequeña en relación con el disolvente.
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♦ Concentrada, la cantidad de soluto en relación con el disolvente es grande.
♦ Saturada, no admite más soluto.
♦ Concentración = Cantidad sto/Cantidad dom
♦ Concentración en masa = m sto/v domâ g/L
♦ Densidad = m dom/v domâ g/L
♦ % concentración en masa = (m sto/m dom)*100
♦ % concentración en volumen = (v sto/v dom)*100
Solubilidad
Es la máxima cantidad de soluto que puede disolverse en una cierta cantidad de disolvente a una
determinada temperatura. Se expresa en: (g sto/100g dte) o (g sto/100cm3 dte)
La solubilidad de un sólido aumenta al aumentar la temperatura.
La solubilidad de los gases disminuye al aumentar la temperatura.
Separación de los componentes de una disolución
◊ Separación de sólidos disueltos en lÃ−quidos:
◊ Evaporación. Se evapora el disolvente y se produce la cristalización del soluto. El
tamaño de los cristales depende de la velocidad de evaporación: serán
pequeños si se elimina el disolvente mediante ebullición y grandes si es a
temperatura ambiente.
◊ Separación de lÃ−quidos disueltos en lÃ−quidos:
⋅ Destilación. Tiene lugar en un dispositivo de refrigeración. El componente
más volátil es el primero en evaporarse y atravesar el refrigerador, donde
se condensa.
◊ Separación de una mezcla de gases.
⋅ Disolución selectiva. Se hace burbujear la mezcla en un lÃ−quido y
después se calienta la disolución para separar este gas. Sólo uno de ellos
se disolverá.
⋅ Destilación. Tiene dos etapas:
♦ Licuación. Se comprime el aire hasta altas presiones y se deja expansionar bruscamente,
con lo que el aire se licua.
♦ Destilación fraccionada. Se eleva la temperatura, de modo que uno se evapora antes que
otro.
Sustancias puras simples y compuestos
Una sustancia pura que, mediante transformaciones, puede convertirse en otras sustancias más
simples es un compuesto. Una sustancia pura que no puede descomponerse en otras más simples se
denomina sustancia simple.
Un compuesto no es una mezcla, puesto que los constituyentes de una mezcla pueden estar en
cualquier proporción y mantienen sus propiedades caracterÃ−sticas, y los constituyentes de un
compuesto están siempre en la misma proporción y la sustancia final es una nueva sustancia pura
de propiedades totalmente diferentes.
Separación de los componentes de un compuesto
◊ Descomposición térmica. Se produce por calentamiento.
◊ Electrólisis. Se produce por el paso de la corriente.
MODELOS ATÃ MICOS
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En el año 380 a.C, Demócrito afirmó que la materia estaba formada por unidades indivisibles e
infinitamente pequeñas llamadas átomos. Los átomos de lada sustancia eran diferentes. Sin
embargo, el primer modelo atómico que se consideró fue el de Dalton.
Modelo atómico de Dalton
◊ La materia está constituida por átomos.
◊ Los átomos son indivisibles y no se modifican en las reacciones.
◊ Todos los átomos de un mismo elemento quÃ−mico son idénticos.
◊ Los átomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes.
◊ Los compuestos están formados por la unión de distintos átomos.
El descubrimiento de la electricidad
En 1897, Thomson demostró que en las experiencias de descargas en gases se producÃ−an
partÃ−culas con carga eléctrica negativa que eran idénticas para cualquier gas. Thomson llamó
a esas partÃ−culas electrones.
Modelo atómico de Thomson
♦ La materia es eléctricamente neutra
♦ Los átomos son esferas macizas de carga positiva que llevan incrustados electrones, de
carga negativa
♦ Los electrones salen de los átomos al someterlos a potenciales eléctricos intensos
♦ Los electrones son idénticos para todos los tipos de átomos
♦ Los electrones son partÃ−culas subatómicas
El experimento de Rutherford
La experiencia de Rutherford en 1911, consistÃ−a en bombardear con partÃ−culas alfa una fina
lámina de oro, y detrás de la lámina se colocaba una placa fotográfica para estudiar la
trayectoria de las partÃ−culas. En contra de lo esperado, sucedió lo siguiente:
• La mayorÃ−a de las partÃ−culas atravesaba la lámina de oro sin desviarse.
• Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera desviación en su trayectoria.
• Sólo una de cada 10.000 partÃ−culas rebotaba y no atravesaba la lámina.
Para explicar lo sucedido, Rutherford propuso un nuevo modelo atómico.
Modelo atómico de Rutherford
El átomo está formado por un núcleo y una corteza.
♦ En el núcleo se concentra la carga positiva (protones) y la mayor parte de la masa del
átomo.
♦ En la corteza, girando alrededor del núcleo, los electrones. Esta zona ocupa la mayor parte
del volumen atómico.
La explicación de este modelo para la experiencia de bombardeo de partÃ−culas alfa es la siguiente:
• La mayorÃ−a de las partÃ−culas atravesaban la lámina de oro sin desviarse. Esto era asÃ− porque
el átomo está prácticamente vacÃ−o.
• Una pequeña proporción atravesaba la lámina con una ligera desviación en su trayectoria. Las
partÃ−culas que se desviaban eran las que pasaban cerca del núcleo, se repelÃ−an ya que ambas
tienen carga positiva, y sufrÃ−an una pequeña desviación.
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• Sólo una de cada 10.000 partÃ−culas rebotaba y no atravesaba la lámina. Las partÃ−culas que
rebotaban eran repelidas por el núcleo.
En 1920, Rutherford propuso la existencia de otra partÃ−cula en el núcleo. La denominó neutrón,
TenÃ−a la masa del protón y carecÃ−a de carga. La evidencia experimental de esta partÃ−cula no
se obtuvo hasta 1932 con los experimentos de Chadwick.
Modelo atómico de Bohr
El principal inconveniente del modelo de Rutherford radica que si los electrones, que son partÃ−culas
cargadas, están girando alrededor del núcleo, van perdiendo energÃ−a y acabarÃ−an
precipitándose sobre él en una fracción de segundo.
Bohr propuso un nuevo modelo atómico compuesto por núcleo y corteza. Al igual que en el
modelo de Rutherford, el átomo también tenÃ−a un núcleo positivo y los electrones giraban
alrededor de él, pero lo hacÃ−an en unas órbitas circulares, donde no emiten ni absorben
energÃ−a. A estas órbitas se les llamó niveles de energÃ−a.
Modelo atómico actual
A medida que evolucionó la ciencia, se abandonó la mecánica clásica de Bohr, dando lugar a la
mecánica cuántica, cuyos creadores fueron Heisenberg, Schrödinger y Dirac.
Se abandonó el concepto de órbita estacionaria, ya que no se puede determinar con precisión la
posición exacta de un electrón en un determinado instante.
La mecánica cuántica define orbital como una zona de espacio donde la probabilidad de encontrar
a un electrón es máxima.
*La imagen en los televisores y en los monitores de ordenador se forma cuando un haz de electrones
choca contra una pantalla recubierta de puntos fosforescentes que producen destellos luminosos que
originan la imagen.
CARACTERÃ STICAS DE LOS ELEMENTOS
Número atómico (Z)
Es el número de protones que tiene un átomo. Como el átomo es neutro, el número de protones
coincide con el número de electrones. Cada elemento quÃ−mico está caracterizado por su número
atómico
Número másico (A)
Es el número de partÃ−culas que tiene un átomo en su núcleo. Es la suma de los protones y los
neutrones.
Representación abreviada de los átomos
Para indicar los números atómico y másico de manera abreviada se suele representar el número
atómico como subÃ−ndice a la izquierda del sÃ−mbolo y el número másico como superÃ−ndice,
también a la izquierda.
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El tamaño de los átomos
El Angstrom (à ) vale 10-10m. Con esta unidad se miden los radios nuclear y atómico:
♦ Radio nuclear (rN) â 10-4Ã
♦ Radio atómico (rA) â 1Ã
Masa atómica
Masa de un átomo medida en unidades de masa atómica (u). Cada una es la doceava parte de un
isótopo de C-12. Una u equivale a 1,6605·10-24g.
La ionización
En la naturaleza también existen partÃ−culas de tamaño atómico pero con carga, llamadas
iones. Si son positivos son cationes y si son negativos son aniones.
♦ Para formar un anión, un átomo debe tomar algún electrón del entorno. Si toma un
electrón, se formará un anión monovalente; si toma dos, será divalente. En general:
X+n eâ = Xnâ
♦ Para obtener un catión, un átomo deberá perder algún electrón.
X+n e+ = Xn+
RADIACTIVIDAD
El descubrimiento de la radiactividad
Henry A. Becquerel sabÃ−a que la fluorescencia producida en un tubo de vacÃ−o por el impacto de
los electrones, o rayos catódicos, estaba relacionada con los rayos X. Por ello, se dedicó a
comprobar si otras sustancias fluorescentes podÃ−an originar también la misma radiación. En su
época se sabÃ−a ya que las sales de uranio emitÃ−an luz en la oscuridad cuando se las exponÃ−a
previamente a la misma. Colocó uno de esos minerales fosforescentes sobre una placa fotográfica
envuelta en un papel oscuro y la expuso a la luz. Cuando reveló la placa, se veÃ−a el contorno de los
cristales del mineral sobre la pelÃ−cula. Intentó repetir el ensayo, pero alguien lo llamó cuando iba
a hacerlo, y dejó el mineral sobre otra placa en un sitio oscuro. A pesar de no haber luz, al revelar la
placa encontró el mismo contorno que en el experimento anterior. Este hecho accidental le permitió
demostrar que el mineral de uranio emitÃ−a rayos semejantes a los rayos X, además de la luz
fosforescente.
Los procesos nucleares
En los procesos nucleares, los átomos se cambian y se originan otros nuevos: cambian de número
atómico.
♦ Radiactividad natural. Es la emisión espontánea de partÃ−culas y radiación
procedentes del núcleo de los átomos.
◊ PartÃ−culas . Son partÃ−culas positivas formadas por dos protones y dos
neutrones. Una hoja de papel o las células de la piel las detienen.
◊ PartÃ−culas . Son partÃ−culas negativas procedentes del núcleo (se crean por la
descomposición de neutrones). Penetran en la materia y pueden atravesar una
lámina de plomo de 1mm de espesor.
◊ Radiación γ. Son radiaciones análogas a los rayos X, que se desplazan a la
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velocidad de la luz. Provocan fuertes quemaduras y pueden atravesar 1m de
hormigón o 5cm de plomo.
♦ Fisión nuclear. Es la ruptura de un núcleo para transformarse en otros núcleos más
pequeños.
♦ Fusión nuclear. Es la unión de dos o más núcleos para das lugar a un núcleo más
pesado.
Residuos radiactivos
Son aquellos materiales con núcleos radiactivos para los que no está previsto ningún uso. Pueden
tener actividad radiactiva durante miles de años, por lo que se entierran a gran profundidad en los
denominados cementerios radiactivos.
ISÃ TOPOS
Los isótopos son átomos que tienen el mismo número atómico, pero distinto número másico;
es decir, tienen el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones. Si un elemento
tiene varios isótopos, se toma como valor de su masa atómica la media ponderada de las masas de
sus isótopos.
Isótopos del H: Protio (A=1), Deuterio (A=2), Tritio (A=3).
Todos los isótopos de un elemento presentan las mismas propiedades quÃ−micas, ya que estas
están relacionadas con el número de electrones. Por el contrario, tienen diferentes algunas
propiedades fÃ−sicas, como, por ejemplo, la masa o la capacidad de desintegrarse radiactivamente.
LA TABLA PERIÃ DICA DE LOS ELEMENTOS
Evolución de la clasificación de los elementos quÃ−micos
Las primeras clasificaciones de los elementos quÃ−micos atendÃ−an a criterios puramente
alfabéticos o a la diferenciación entre metales y no metales.
El primer esquema de clasificación de los elementos lo realizó Berzelius en 1813. Dividió los
elementos naturales en dos grandes grupos: metales y no metales. Los metálicos tenÃ−an cierto
brillo caracterÃ−stico, eran maleables y dúctiles, y conducÃ−an el calor o la electricidad. Los no
metales tenÃ−an diversos aspectos fÃ−sicos y no conducÃ−an el calor ni la electricidad.
En 1829, Döbereiner estableció una clasificación sistemática de los diferentes elementos
quÃ−micos, agrupándolos de tres en tres, en trÃ−adas. El elemento central tenÃ−a una masa
atómica cercana a la media aritmética de la de los extremos. Sólo consiguió ordenar nueve
elementos.
Entre 1830 y 1860 Jean-Baptiste Dumas clasificó a los elementos en metales y metaloides,
estableciendo cinco familias: H, F, O, N y C.
En 1862, Alexander B. de Chancourtois construyó un “anillo telúrico” en el que los elementos
estaban situados por orden creciente de peso atómico en una hélice, cuyos puntos diferÃ−an 16
unidades.
En 1865, John A. Newlands ordenó los elementos en orden creciente de pesos atómicos,
observando que el octavo elemento se parecÃ−a al primero, el noveno al segundo, y asÃ−
sucesivamente: ley de octavos. El problema era que en algunas filas los elementos eran muy dispares,
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y que no habÃ−a lugar para los elementos descubiertos recientemente.
J. Lothar Meyer modificó la ordenación teniendo en cuenta también los volúmenes atómicos.
D. I. Mendeléiev publicó en 1870 la tabla percusora a la actual, que seguÃ−a las ideas de
Newlands en la disposición de los elementos en orden creciente de las masas atómicas, pero
perfeccionada en:
♦ Si un elemento no encajaba según su masa atómica, dejaba un hueco vacÃ−o para un
nuevo elemento.
♦ Se hizo un estudio sobre las masas atómicas conocidas hasta entonces, realizándose una
nueva determinación de las masas ya conocidas que ofrecÃ−an duda sobre su precisión.
♦ Para evitar la colocación de metales debajo de no metales se formaron perÃ−odos largos
para los metales de transición.
♦ Se predijeron las propiedades de los elementos aún sin descubrir, a partir del
comportamiento repetitivo que periódicamente se observa en la tabla.
El sistema periódico actual
En la tabla periódica actual, los elementos están ordenados teniendo en cuenta simultáneamente
dos criterios:
♦ En las lÃ−neas horizontales, llamadas perÃ−odos, se colocan los elementos en orden
creciente de su número atómico.
♦ En las lÃ−neas verticales, llamadas grupos o familias, se colocan los elementos de
propiedades semejantes.
Esto hace que muchas propiedades de los elementos estén ligadas a su posición en la tabla
periódica.
La nomenclatura de la IUPAC numera los grupos del 1 al 18. Los elementos de los grupos 3 al 12 se
llaman elementos de transición. Hay siete perÃ−odos, que comienzan con un alcalino y terminan
con un gas noble. La lÃ−nea gruesa separa los metales y los no metales. Los elementos que hay junto
a esta lÃ−nea se llaman semimetales, ya que presentan propiedades intermedias entre los metales y
los no metales. Los elementos que están en la parte inferior de la tabla son los elementos de
transición interna y se denominan lantánidos y actÃ−nidos.
Tipos de elementos
Los elementos que están en el último grupo se llaman gases nobles o gases inertes. Estos
elementos no reaccionan con otros, por eso se llaman nobles.
Los elementos que están a la izquierda y en el centro se llaman metales y todos son sólidos en
condiciones ambientales, salvo el mercurio.
Los que están entre los metales y los gases nobles se denominan no metales.
Los elementos que hay junto a la lÃ−nea gruesa, separando los metales y los no metales, se
denominan semimetales ya que presentan propiedades intermedias entre los metales y los no metales.
Los elementos que están en la parte inferior de la tabla se llaman elementos de transición interna,
y se denominan lantánidos y actÃ−nidos.
Los principales grupos del sistema periódico
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♦ Grupo 1: metales alcalinos.
♦ Grupo 2: metales alcalinotérreos.
♦ Grupos 3-12: elementos de transición
♦ Grupo 13: familia del boro o boroideos.
♦ Grupo 14: familia del carbono o carbonoideos.
♦ Grupo 15: familia del nitrógeno o nitrogenoideos.
♦ Grupo 16: familia del oxÃ−geno o anfÃ−genos.
♦ Grupo 17: halógenos.
♦ Grupo 18: gases nobles
Un problema sin solución es la posición del hidrógeno. Hay quÃ−micos que lo consideran dentro
del grupo 1. Otros, en el 17. Otros no lo incluyen en ningún grupo.
Elementos recién descubiertos
Los elementos recientemente descubiertos tienen una vida tan corta que no llega al segundo. Todos
ellos se han obtenido artificialmente. Los que se han conseguido son sólo átomos aislados. Se duda
de si se trata de átomos nuevos o de estados transitorios de las uniones de otros átomos ya
existentes.
Para producir estos elementos pesados, se han colisionar los núcleos de dos átomos, teniendo lugar
un a reacción nuclear.
Elementos de transición interna (tierras raras)
♦ Los lantánidos:
En 1794, Gadolin descubrió un nuevo mineral cerca de Estocolmo, encontrando en él un óxido
desconocido, una tierra que denominó itria, y que después se ha hallado en un gran número de
minerales. El mineral se llamó gasolinita. En 1803, Klaproth localizó otro óxido que se conoce
como ceria, que es el óxido nuevo llamado cerio. Este nombre proviene de Ceres, el primer asteroide
descubierto dos años antes. Se vio que estas dos tierras no eran óxidos puros.
En 1839, Mosander constató que parte del cerio se solubilizaba en ácido nÃ−trico diluido (lantana)
y otra era insoluble. A partir de la lantana obtuvo la didimia, que era el óxido de didimio. La didimia
no era pura y Boisbaudran separó de ella la samaria y, en 1880, la gadolinia.
La didimia fue desdoblada en 1885 por Von Welsbach en praseodimia y neodimia. De la itria se
obtuvo la ceria, lantana, didimia, itria, erbia y terbia, y de la terbia, iterbia. En 1907 se descubrió el
lutecio.
♦ Los actÃ−nidos: Todos ellos poseen propiedades radiactivas.
Propiedades periódicas
Son las que varÃ−an con regularidad periódica cuando se ordenan por orden creciente de su
número atómico. Son propiedades periódicas la configuración electrónica, la energÃ−a de
ionización, la afinidad electrónica, la electronegatividad, el volumen atómico, el carácter
metálico y no metálico y el número de oxidación.
Configuración electrónica
Los electrones se distribuyen por la corteza en capas. Se colocan en la corteza atómica de modo que
los que están más cerca del núcleo tienen menos energÃ−a.
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El lugar donde está cada electrón viene determinado por los números cuánticos n, l, m, s
♦ n: Se llama número cuántico principal. Informa de la capa en la que está cada eË . Puede
coger valores desde 1 hasta el infinito, siempre en positivo. En cada capa caben como
máximo 2n2 eË .
Capa 1: 2eË . Capa 2: 8eË . Como máximo.
♦ l: Se llama número cuántico secundario, o azimutal. Da información del orbital en que
está el eË . Puede coger valores de 0 a n-1.
n=1â l=0 n=2â l=0/1 n=3â l=0/1/2
0=orbital s (esférico)
1=orbital p (periférico)
2=orbital d (5 dimensiones)
3=orbital f (nada conocido, a partir de ahÃ− g, h, i…)
Los electrones situados en la última capa se denominan electrones de valencia. Son los responsables
del comportamiento quÃ−mico de los elementos.
Bohr propuso un nuevo modelo atómico en el cual los electrones sólo pueden ocupar unas órbitas
determinadas en la corteza atómica. Estas órbitas están caracterizadas por sus niveles de
energÃ−a.
En un átomo que está en estado fundamental (normal) los eË ocupan los niveles de energÃ−a
más bajos. Un eË puede pasar a un nivel superior absorbiendo energÃ−a. Entonces, el átomo
está en estado excitado.
Se denomina configuración electrónica de un átomo a la forma en que se distribuyen los
electrices en los distintos niveles (capas).
Ley Möler
1 (máx 2)
1s2
2 (máx 8)
2s2
3 (máx 18)
3s2
4 (máx 32)
4s2
20Ca: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2
2p6
3p6
4p6
3d10
4d10
4f14
EnergÃ−a de ionización
La energÃ−a o potencial de ionización es la energÃ−a necesaria para separar totalmente el electrón
más externo del átomo en estado gaseoso, convirtiéndolo en un catión. Cuanto menor sea su
valor, tanto más fácil será conseguir que un átomo pierda un eË . X+Ei=X++eË .
En el sistema periódico, la energÃ−a de ionización aumenta dentro de un grupo de abajo hacia
arriba, porque cuanto más cerca del núcleo esté el eË que se quiere separar, tanto más
atraÃ−do estará por el núcleo.
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En un perÃ−odo es más complicado. En general, podemos decir que aumenta de izquierda a
derecha.
Cuanto menor sea la energÃ−a de ionización de un elemento, tanto más fácilmente podrá perder
un electrón y formar un catión. Los elementos más metálicos (abajo a la izquierda) son los que
más fácilmente formarán iones positivos, por lo que son más electropositivos, mientras que los
más no metálicos (arriba a la derecha) pueden formar cationes menos fácilmente.
Los valores máximos de las energÃ−as de ionización corresponden a los gases nobles, ya que son
muy inestables.
*La energÃ−a de ionización se suele medir en electronvoltios. 1eV=1,6·10-19J
Afinidad electrónica
La afinidad electrónica, AE o electroafinidad es la energÃ−a que libera un átomo en estado
gaseoso cuando capta un electrón y se transforma en un ion con carga -1, también en estado
gaseoso.
Si un átomo tiene baja energÃ−a de ionización, cede con facilidad un electrón, por lo que su
afinidad electrónica será baja. Cuando un átomo tiene alta energÃ−a de ionización, no tiende a
perder electrones y sÃ− a ganarlos. La afinidad electrónica varÃ−a en el sistema periódico igual
que la energÃ−a de ionización.
Electronegatividad
La electronegatividad es la tendencia que tienen los átomos a captar electrones.
Se dice que un elemento es muy electronegativo cuando la energÃ−a de ionización y la afinidad
electrónica son altas.
La electronegatividad varÃ−a periódicamente, de forma que los elementos arriba a la derecha de
sistema periódico son los más electronegativos y abajo a la izquierda lo son menos. En los gases
nobles no se habla de electronegatividad.
Volumen atómico
Fue definido por Meyer como el espacio que ocupa el átomo de un elemento, y lo calculó
dividiendo la masa atómica de un elemento entre su densidad. Pero como un mismo elemento puede
presentar varias estructuras sólidas diferentes tendrá varios volúmenes atómicos, según la
definición de Meyer. Por eso se caracteriza el tamaño de los átomos mediante el radio atómico,
calculando en función de las distancias a las que se sitúan los átomos cuando forman enlaces para
unirse entre sÃ−.
El radio atómico da una idea del volumen atómico y se mide en Angstrom (à ) y vale 10-10m.
Carácter metálico
Un elemento se considera metal desde un punto de vista electrónico cuando cede fácilmente
electrones y no tiende a ganarlos, es decir, son poco electronegativos.
Un no metal gana fácilmente electrones y no tiende a perderlos, por lo que es muy electronegativo.
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Los gases nobles no tienen carácter ni metálico ni no metálico.
Los semimetales no tienen muy definido su carácter metálico o no metálico.
Número de oxidación
Es el número de electrones que gana, cede o comparte cuando se une con otros elementos. Puede ser
positivo, negativo o nulo. Un elemento puede actuar con distintos números de oxidación según el
compuesto del que forma parte.
En un mismo grupo, los elementos suelen presentar números de oxidación comunes.
El número de oxidación no pasa del 7.
Regularidades en las propiedades
Los elementos del último nivel son los responsables de las propiedades de los elementos,
fundamentalmente de la reactividad.
Los alcalinos son los metales más reactivos. Ceden muy fácilmente el electrón solitario de su
último nivel y se combinan con otros elementos. Los alcalinotérreos son algo menos reactivos, ya
que tienen dos electrones en la última capa y es más complicado cederlos.
Los no metales más reactivos son los halógenos, que tienden a ganar un electrón, y los
anfÃ−genos, que tienden a ganar dos.
INSTRUMENTOS PARA EL ESTUDIO DE UN ÔTOMO
Microscopios electrónicos
Utilizan un haz de electrones para visualizar los objetos. Como su longitud de onda es menor que la
de la luz, obtienen menores aumentos y permiten distinguir minúsculas estructuras moleculares.
Microscopios electrónicos de efecto túnel
Consiguen aumentos de millones de veces y permiten la observación de átomos individuales.
Técnicas de resonancia magnética nuclear
Permiten precisar las posiciones de los átomos en determinadas estructuras atómicas.
Sólido
Gas
LÃ−quido
Fusiónâ
Solidificaciónâ
Vaporizaciónâ
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Condensaciónâ
Sublimación regresivaâ
Sublimaciónâ
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