Repaso de química básica

La materia: átomos, iones y moléculas.
En los seres vivos se aprecian dos componentes: la materia y la energía. La física y la química
son ciencias fundamentales que tratan sobre la naturaleza de la materia y de la energía y de la formulación
de leyes que rigen su comportamiento.
Los conceptos de materia y energía son difíciles de definir, empleemos el término de sustancia,
porque puede ser vista, gustada, medida, pesada, almacenada, etc. Las sustancias se pueden clasificar en:
Sustancias puras:
- Elementos (H, O, Cl, Br, S, Fe, N, etc...)
- Compuestos (H2O, NH3, CO2, etc...)
· Iones.
· Moléculas.
Mezclas: compuestas por dos o más sustancias puras.
Así la materia viva está formada por elementos. La partícula más pequeña de todo elemento es el
átomo. Existen en la naturaleza 92 elementos que se diferencian por el número de partículas que poseen
sus átomos, así el hidrógeno sólo tiene una partícula positiva en su núcleo (protón) mientras que el átomo
de uranio tiene 92 protones. El número de protones que posee un átomo se llama número atómico (Z) y
llamamos peso atómico o número másico (A) al número de protones más el de neutrones.
Isótopos: existen elementos cuyos átomos difieren entre sí por el número de neutrones y se
conocen como isótopos del elemento. Por ejemplo, el Hidrógeno (1 +00), el deuterio (1+10) y el tritio
(1+20). Algunos isótopos son radioactivos y esta característica es útil para el datado de fósiles o bien
como trazadores.
MODELOS ATÓMICOS:
- Modelo planetario (Rutherford)
- Modelo pastel de ciruelas.
- Modelo de Bohr.
- Modelo Orbital.
Los electrones son partículas de carga (-) y masa ínfima; se hallan a distancia variable del núcleo
y, por tanto, poseen una energía de posición (potencial); cuanto mayor es la energía que posee el electrón
a mayor distancia está del núcleo (alto nivel energético).
Para alejar un electrón de su núcleo se requiere energía, para que salte un electrón a un nivel
superior se le debe aportar un quantum de energía; si el electrón pasa a niveles inferiores liberará
quantums de energía (uno por cada nivel). En las células verdes de las plantas y algas, la energía radiante
de la luz solar eleva a los electrones a un nivel energético superior ( se exitan las molécuals de clorofila) y
tras una serie de reacciones los electrones van "cuesta abajo" de un nivel energético a otro, hasta que
finalmente retornan a su nivel original. En estas transiciones la energía lumínica se transforma en energía
química (fotosíntesis).
DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES:
Al ser el electrón tan pequeño y moverse casi a la velocidad de la luz, sólo podemos conocer el
volumen de espacio en que este se encuentra el 90% del tiempo, es decir, su orbital.
Los electrones empiezan ocupando los niveles energéticos inferiores, etc.:
n=1
n=2
n=3
n=4
n=5
n=6
K 1S2
L 2S2 2P6
M 3S2 3P6 3d10
N 4S2 4P6 4d10 4f14
O 5S2 5P6 5d10 5f14 5g18
P ......
Niveles
Subniveles
2 electrones
8 electrones
18 electrones
32 electrones
50 electrones
....
Nª Máx. 2n2
ENLACES Y MOLÉCULAS
Los átomos de He, Ne, Ar, tienen completas sus órbitas más externas y, por tanto, son
químicamente inertes.
La manera en que un átomo reacciona quimicamente está dada por la cantidad y distribución de
sus electrones. El átomo es más estable:
a) Cuando todos sus electrones ocupan los niveles energéticos más bajos posibles.
b) Cuando los niveles energéticos más externos están completos.
La mayoría de los elementos están constituidos por átomos que no tienen completo su nivel más
exterior, por tanto, tienen tendencia a reaccionar con otros átomos para completar esos niveles; en estas
reacciones se pierden, ganan o comparten electrones y se originan asi partículas nuevas más grandes: las
moléculas y las fuerzas que le dan cohesión: los enlaces; distinguiremos dos tipos:
1. Enlaces iónicos:
Na+
Catión
Electropositivo
Metal
ClAnión
Electronegativo
No metal
El sodio con 11 protones y 11 electrones tiende a ceder el electrón de su última capa al cloro
cuyo Z=17.
Estos enlaces pueden ser muy fuertes, aunque en el agua estas moléculas de clururo sódico
(ClNa) se rompen liberando iones. Los iones Na+, K+, Cl-, Ca++, Mg++, etc intervienen en procesos
biológicos esenciales:
· Transmisión del impulso nervioso (Na+, K+).
· Contracción muscular (Ca++).
· Fotosíntesis (Clorofila con Mg++).
2. Enlaces covalentes:
El par de electrones compartidos forman un nuevo orbital: el orbital molecular enlazante que
envuelve los nucleos de ambos átomos.
Cada electrón compartido permanece un tiempo en torno a su núcleo y parte en torno del otro
"Compartiendo electrones se completa el nivel energético externo y se neutraliza la carga nuclear".
El átomo de carbono al tener 4 electrones desapareados en la última capa tiene tendencia a compartir
electrones (hasta 4) con otros átomos (H, O, N, C, etc) formándose asi las grandes moléculas que forman
las estrcuturas de los organismos vivos.
En órbita más externa (capa de valecia) es donde se produce la transferencia de electrones a compartir.
2.1 Enlaces covalentes polares:
Los núcleos atómicos de diferentes elementos poseen distintos grados de atracción por sus
electrones dependiendo de:
- Proximidad de los electrones exteriores respecto al núcleo.
- Cantidad de otros electrones "protectores" entre el núcleo y los electrones.
- Cantidad de protones que contiene el núcleo.
En algunos enlaces covalentes establecidos entre átomos de distintos elementos los electrones no
se comparten de manera pareja; sino que los electrones tienden a pasar más tiempo en torno al núcleo que
ejerce la atracción más grande, así éste átomo poseerá una carga ligeramente negativa, mientras que, el
otro átomo, poseera una carga ligeramente positiva.
Estos enlaces se conocen como enlaces covalentes polares y las moléculas que los poseen:
moléculas polares. Generalmente esas moléculas poseen oxígeno, el cual atrae con fuerza a los
electrones. Las propiedades polares de moléculas con oxígeno acarrean consecuencias muy importantes
para los seres vivos. Por ejemplo las propiedades especiales del H 2O.
El hidrógeno presenta una carga ligeramente positiva mientras que el
cloro tiene carga ligeramente negativa.
C
HCl
El enlace covalente no polar ocurre sólo entre átomos
2.2 idénticos H2, Cl2, O2, N2.
2.2 Enlaces covalentes simples, dobles y triples:
(a)
(b)
(c)
a. El oxígeno tiene 6 electrones en su nivel energético más externo, de los que dos quedan
desapareados y disponibles para ser compartidos. En la molécula de agua forman dos enlaces covalentes
simples con sendos átomos de hidrógeno.
b. Con el CO2 ocurre que los electrones disponibles de cada átomo de oxígeno participan cada
uno con dos electrones del átomo de carbono. Se da un enlace covalente doble.
c. Con el HCN (cianídrico) tres electrones del nitrógeno comparten orbital con tres electrones del
carbono. Vemos aquí un enlace triple.
Los enlaces simples son flexibles porque permiten que los átomos estén en libertad para rotar el
uno respecto del otro; mientras que los enlaces dobles y triples sujetan a los átomos con relativa rigidez
en sus relaciones mutuas.
Por ejemplo:
- Las moléculas de aceite tienen enlaces dobles, lo que les da rigidez y, por tanto, se presentan en
estado líquido a temperatura ambiente.
- Las moléculas de grasa tienen enlaces sencillos y, por tanto, pueden curvarse y torcerse, de
modo que se compactan y forman una estructura sólida a temperatura ambiente.
REACCIONES QUÍMICAS
Las reacciones químicas, transferencia de electrones entre átomos y redistribución de los mismos
en una o varias sustancias iniciales para producir otras distintas, se describen como ecuaciones químicas.
Na+ + Cl- → ClNa
Las ecuaciones han de estar equilibradas y deben existir el mismo número de átomos en los
productos de la reacción que en los reactivos originales.→
2H2 + O2 → 2H2O
Las ecuaciones químicas deben indicar:
- Tipos de átomos que hay.
- Sus proporciones.
- Dirección de la reacción.
Algunos tipos de reacciones químicas.
a) Reacciones de síntesis o combinación:
A + B → AB
Na+ + Cl- → ClNa
b) Reacciones de descomposición:
AB → A + B
2H2O → 2H2 + O2
c) Reacciones de intercambio:
AB + CD → AD + CB
NaOH + CLH → ClNa + H2O