química

I
SECRETARÍA DE EDUCACIÓN DEL GOBIERNO DE
JALISCO
DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN PERMANENTE
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN COMUNITARIA
BACHILLERATO DE EDUCACIÓN PARA ADULTOS
3
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
I. FUNDAMENTOS
1.
2.
3.
4.
Definición
La química y sus ramas
La química y su relación con otras ciencias
Mezclas y compuestos
II. LOS ÁTOMOS Y SU ESTRUCTURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Teoría y modelos atómicos
Teoría de Dalton
Modelo de Thomson
Modelo de Rutherford
Modelo de Bohr
Número y masa de los átomos
Los isótopos
III. ELEMENTOS Y TABLA PERIÓDICA
1.
2.
3.
4.
5.
La tabla periódica
Metales
No metales
Metaloides
Gases nobles
IV. ENLACES
1.
2.
3.
4.
5.
Enlace químico
Regla de octeto
Enlace iónico
Enlace covalente
Estructura de Lewis
V. ESTEQUIOMETRÍA
1.
2.
3.
4.
Reacción química
Masa molecular
Contaminación del aire
Contaminación del agua
VI. MACROMOLÉCULAS
1. Importancia de las macromoléculas naturales
2. Macromoléculas sintéticas
BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
La química, como tal, es una ciencia relativamente reciente. En épocas muy
antiguas se desarrollaban ciertos procesos químicos sin tener plena conciencia de
lo que se hacía.………………….
Para citar solo algunos casos, podemos citar al fuego que fue utilizado por primera
vez por el hombre prehistórico para cocinar sus alimentos y para desinfectar
heridas. Aunque seguramente el hombre prehistórico no tenía idea de los
procesos químicos envueltos en esas actividades, sí pudo apreciar sus efectos. En
un principio, fue necesario utilizar armas para cazar sus alimentos.
Pero, las armas estaban elaboradas con materiales, tal como el hierro, que son
poco resistentes a ciertas reacciones químicas (como la oxidación), por lo que se
dañaban con mucha rapidez. La química logró mejorar enormemente este material
gracias a otro proceso químico en el cual se utilizó una mezcla que incluían al
hierro y al carbón para conformar una aleación mucho más resistente: el acero.
Más adelante, se aprovecharon los procesos y las reacciones químicas para
producir materiales como vidrio, jabón, medicamentos, perfumes, cosméticos
tintes, vinos, y muchos otros. La elaboración de cada uno de estos materiales
siempre traía implícita la ejecución de algún proceso de naturaleza química.
Entre los pensadores que dieron algún aporte que permitieron el surgimiento de la
química como una ciencia podemos contar a Aristóteles, Tales de Mileto,
Heráclito, Leucipo, Demócrito, y muchos otros. Lo importante es que por pequeños
que hayan podido ser sus aportes, estos lograron que la química diera un paso
adelante hacia su consolidación como ciencia.
Un fenómeno en la historia que fue fundamental para llegar a lo que hoy
conocemos como ciencia química, fue el surgimiento de la alquimia. Se piensa
que la alquimia probablemente surgió en el siglo I, estando geográficamente
ubicado en China, Grecia y la India, y alcanzando su máximo desarrollo en la edad
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
media. Los alquimistas desarrollaron cientos de experimentos químicos en la
búsqueda de la conversión del plomo en oro. Crear una sustancia capaz de lograr
esta conversión involucró solo fracasos para los alquimistas, pero se consiguieron
muchas sustancias químicas útiles que son de uso común aún hoy día.
Algunos de los procedimientos químicos desarrollados por los alquimistas fueron
las técnicas de destilación, la cristalización, la sublimación, la metalurgia y la
calcinación. Los alquimistas se vieron limitados por la poca cantidad de
procedimientos químicos existente, por lo que se vieron forzados a inventar
dispositivos químicos como el alambique (muy útil para la destilación), el "baño de
maría" (que permite calentar un material sin sobrepasar los 100º centígrados) y el
agua regia (que consistía en una mezcla de ácidos). Al observar la utilización de
todos estos elementos por los alquimistas se hace razonable aceptar que ellos
fueron los verdaderos predecesores de la ciencia química.
Actualmente, se considera como padre de la química moderna a Antoine Lavosier,
quien sostuvo la rigurosidad del método cuantitativo, destruyó la antigua teoría del
flogisto (la cual trataba de explicar porque ardían los materiales) y propuso la Ley
de Conservación de la Materia.
La edad de oro de la química se presentó en el siglo veinte. La química se amplió
en ese siglo de tal manera que fue preciso dividirla en varias ramas. A pesar de
esto, se hace necesario entender la química desde varios puntos de vista, ya que
está íntimamente relacionada con otras ciencias como la física, la medicina, la
ingeniería y otras.
200
Química I
FUNDAMENTOS
Definición
Desde los cursos del nivel secundaria se nos plantea que la química la
localizamos en todos lugares, lo cual es correcto. E igualmente la química
contribuye con los avances que facilitan la vida a las personas en distintas áreas
del conocimiento, como el caso de la medicina, los alimentos, el transporte, etc.
Sin embargo, y desde los últimos decenios del siglo pasado, las consecuencias
por los avances en la química han dejado un mal sabor de boca sobre todo en el
aspecto ambiental. Por ejemplo, al quemar un combustible se efectúa una
reacción química que es utilizada en el transporte, la electricidad, o para procesos
de calefacción; surgiendo el problema con los productos secundarios que se
liberan a la atmósfera, creando complicaciones conocidas por todos nosotros.
Pero a pesar de la generación de algunas situaciones desagradables, que ya son
tratadas con el fin de disminuirlas o erradicarlas, tenemos la firme certeza de que
esta ciencia ayuda a mejorar la calidad de vida
“La química es la ciencia que abarca el conocimiento de todo el universo, en
cuanto a su constitución, composición, propiedades y transformaciones. Gracias a
ella los humanos con su ingenio han logrado desarrollar diferentes productos útiles
en nuestra vida diaria; con el transcurso de los años han mejorado, gracias a los
procesos químicos, que han permitido el desarrollo y crecimiento de la tecnología”
(Hernández Altamirano, 2011).
201
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
La Química es entonces, la ciencia que estudia la composición, propiedades,
estructura, así como la transformación de la materia, además de las leyes que
rigen esos cambios.
La materia se entiende como todo aquello que nos rodea, que ocupa espacio y
que presenta características medibles (masa, superficie, volumen, densidad).
La materia se modifica en función del fenómeno que sobre ella ocurra, por
ejemplo se presenta un cambio químico cuando existe una transformación parcial
o total de los componentes que integran una sustancia, un alimento o un objeto, es
decir, cuando se produce un cambio que altera los componentes de la materia; en
cambio se presenta un cambio físico si la materia en cuestión no sufre alteración
alguna en sus componentes a pesar de que su forma se fragmente o cambie de
tamaño o posición.
La química se considera ciencia en función de que sigue una serie de pasos
ordenados y estructurados acordes al método científico (observación, hipótesis,
experimentación, comprobación y establecimiento de leyes y teorías
La Química y sus ramas
La química ha logrado abarcar un campo de estudio tan extenso que ha sido
necesario realizar una serie de subdivisiones que también son conocidas como
ramas y que cada una se especializa en un ámbito en particular que cuenta con
características propias. Para su estudio, tales ramas o subdivisiones se agrupan
de la siguiente forma:
202
Química I
QUÍMICA
ORGÁNICA
BIOQUÍMICA
FISICOQUÍMICA
INORGÁNICA
ANALÍTICA
Química Orgánica Estudia los compuestos en donde se presente el carbono,
entre los que se encuentran: medicamentos, plásticos, vitaminas, hidratos de
carbono, proteínas, etc. que están formados por moléculas orgánicas.
Química Inorgánica Estudia elementos y compuestos que no son orgánicos
cuyos ejemplos podemos citar: óxidos, anhídridos, hidróxidos, sales, etc.
Química Analítica Presenta dos subdivisiones: análisis cualitativo y cuantitativo.
El cualitativo identifica los componentes de una sustancia y el cuantitativo las
cantidades de dicha sustancia.
Química Física Estudia las velocidades de las reacciones, los mecanismos de
estas y qué es lo que provoca una reacción así como la energía de la misma.
Bioquímica
Estudia las sustancias presentes en los organismos vivos y las
reacciones químicas en las que se basan los procesos vitales.
Existen otros campos especializados de la química, de igual importancia pero que
se concretizan en la realización de una actividad bien definida; nos referimos a: la
ingeniería química, la metalurgia, la petroquímica, la química nuclear.
203
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
La Química y su relación con otras ciencias
En más de una ocasión nos hemos visto en la necesidad de cubrir algunas
satisfacciones, como por ejemplo la carencia de salud, la búsqueda de algún
alimento especial, o la necesidad de saber en donde se localiza algún lugar;
entonces para lograr
lo anterior, nos apoyamos en algunas áreas del
conocimiento que nos facilitan la búsqueda y localización de la determinada
satisfacción.
La química se relaciona con diferentes ciencias como la física, la astronomía, la
biología, entre otras. Gracias a esta interrelación es posible explicar y comprender
los complejos fenómenos de la naturaleza.
Como ya se ha señalado la química se encuentra en todas partes, siendo otro
ejemplo la relación que guarda con otras ciencias, de tal manera que al hablar de
otras actividades científicas o tecnológicas, no podemos prescindir de la química
en virtud de que se encuentra estrechamente ligada a otros campos como lo
muestra el siguiente esquema.
AGRICULTURA
FÍSICA
ASTRONOMÍA
OCEONOGRAFÍA
MEDICINA
QUÍMICA
BIOLOGÍA
GEOGRAFÍA
ARQUEOLOGÍA
Finalmente hemos de agregar que la química requiere el apoyo de estas ciencias,
con las cuales además de interrelacionarse, constituye un conocimiento integral,
con el cual refuerzan la investigación en dichos ámbitos cognoscitivos.
204
Química I
Mezclas y Complementos
Todo lo que nos rodea está constituido de materia y esta se encuentra conformada
por distintas sustancias que pueden ser: Sustancias puras y Mezclas. Una mezcla
es la unión de dos o más sustancias cuyos componentes se unen por medios
físicos; y a su vez, se clasifican en dos tipos:
Homogéneas y Heterogéneas, las primeras presentan una apariencia uniforme,
por lo que sus componentes no se observan a simple vista; por lo que respecta a
las segundas, su apariencia NO es uniforme por lo que podemos observar sus
componentes a simple vista.
Las Sustancias Puras también se conocen como Compuestos, que se encuentran
formados por dos o más elementos unidos a través de procesos químicos, en
proporciones definidas y constantes de lo cual se forman las moléculas; y estas
últimas son las partículas más pequeñas de un compuesto que existe y conserva
las propiedades específicas del mismo. Al hablar de elementos nos referimos a las
sustancias fundamentales con las que se construyen todos los materiales, es una
sustancia pura que no se puede descomponer en otra más sencilla, y lo
ejemplificamos al mencionar al Mercurio, la Plata, el Oro, El Carbono, el Sodio, el
Hidrógeno, el Oxígeno, etc. cuya representación es un símbolo. Los elementos a
su vez están conformados por átomos, que son las partículas fundamentales más
pequeñas que conservan las propiedades de un elemento.
Las siguientes definiciones esclarecen un poco más los conceptos antes
señalados.
SON SUSTANCIAS
PURAS, FORMADAS
POR UNO O MÁS
ELEMENTOS QUE SE
COMBINAN ENTRE
SÍ EN
PROPORCIONES
FIJAS
COMPUESTOS
205
ES UNA
SUSTANCIA
SIMPLEQUE NO
SE PUEDE
DESCOMPONER
EN OTRO TIPO
DE SUSTANCIA
MÁS SENCILLA
ELEMENTO
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
PARTÍCULA MÁS
PEQUEÑA DE LA
MATERIA QUE
PUEDE EXISTIR Y
CONSERVAR LAS
PROPIEDADES DE
LA SUSTANCIA DE
LA CUAL FORMA
PARTE
ES LA UNIDAD
FUNDAMENTAL
DE LA MATERIA,
QUE CONSERVA
LAS
PROPIEDADES
QUÍMICAS DEL
ELEMENTO DEL
CUAL PROVIENE
MOLÉCULA
HOMOGÉNEAS
LOS TIPOS DE
MEZCLAS
ÁTOMO
HETEROGÉNEAS
La mezcla homogénea es toda igual
Sus propiedades no son uniformes
Tiene composición y apariencia uniforme
La composición de sus partes difieren
entre sí
Algunos de sus ejemplos son: refresco,
agua salada, suspensiones, etc.
Algunos de sus ejemplos son: ensalada,
pastel de fruta, aceite con agua, etc.
206
Química I
Por otra parte, las mezclas también se pueden clasificar por su estado de
agregación, es decir, sólidas, líquidas y gaseosas. Existen mezclas en estados
intermedios las cuales constituyen los estados de dispersión.
El siguiente esquema muestra algunos ejemplos de los tipos de mezclas por
estado de agregación:
SÓLIDAS: Arena, Pólvora, Acero, Bronce, Papel, Granito,
Etc.
MEZCLAS
Refresco, Etc.
LÍQUIDAS: Café con leche, Vino tinto, Agua de mar,
GASEOSAS: Metano, Aire, Vapor, Butano, Dióxido de
carbono, Etc.
Una vez conformada una mezcla, existen algunos métodos para separarla,
señalando de antemano que algunos procesos requieren de aparatos y recursos
especiales o sofisticados sin los cuales sería imposible realizar alguna
determinada separación.
Entre los métodos más comunes para la separación de mezclas se pueden
enunciar:
LA FILTRACIÓN. Nos permite separar un sólido insoluble (grano muy pequeño)
de un líquido. En este proceso se utiliza una membrana porosa de filtración que
solo deja pasar al líquido y retiene las partículas sólidas.
207
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
LA EVAPORACIÓN. Es un proceso por el que se separa un sólido disuelto en un
líquido y aplicando alta temperatura el líquido hierve y se convierte en vapor
quedando el sólido como residuo en forma de polvo. El líquido se puede recuperar
o evaporarse en el ambiente.
LA DESTILACIÓN. Este método permite separar mezclas de líquidos miscibles
(que se pueden mezclar), aprovechando sus diferentes puntos de ebullición. En
este proceso se incluyen evaporaciones y condensaciones sucesivas.
LA SUBLIMACIÓN. Esta se emplea para la separación de sólidos aprovechando
que uno de ellos es sublimable, pasando del estado sólido al líquido al
suministrarle alta temperatura.
LA IMANTACIÓN. En la aplicación de este método se aprovecha la propiedad de
alguno de los componentes de la mezcla para ser atraído por un imán o un campo
magnético.
LA CENTRIFUGACIÓN. Con el presente método se puede separar un sólido
(grano muy fino y de difícil sedimentación), de un líquido. El proceso se efectúa en
un aparato denominado centrífuga que realiza un movimiento de traslación
acelerado y que al aumentar la fuerza gravitacional provoca la sedimentación del
sólido y de otras partículas.
Se emplea para separar un sólido, de grano grueso e
LA DECANTACIÓN.
insoluble, de un líquido. Una vez que se ha sedimentado el sólido se vierte el
líquido. El método también se aplica a dos líquidos no miscibles y de diferente
densidad.
LA CRISTALIZACIÓN. Consiste en provocar la separación de un sólido que se
encuentra disuelto en una solución; el sólido queda como cristal y el proceso
involucra cambios de temperatura, agitación, eliminación del solvente.
208
Química I
Ejercicio 1.
En la siguiente lista de enunciados coloca una X al final del mismo si es que tiene
relación con la química:
a) Observar detenidamente las ondas que produce el aire de un ventilador
_______
b) Seleccionar
________
un
jabón
que
se
adecúe
a
nuestro
tipo
de
piel
c) Seleccionar el tipo de calzado que debemos usar para una reunión
________
d) Cargar
siempre
________
e) Indagar
por
________
f) Identificar las
________
g) Ventilar las
________
qué
un
anti-inflamatorio,
debemos
ventajas
habitaciones
de
pintar
cocinar
con
con
frecuencia
209
solo
las
por
puertas
carbón
en
prevención
y
tiempo
de
no
de
metal
con
leña
invierno
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Ejercicio 2.
Completa la tabla con sustancias que son nocivas y benéficas, y que las podemos
tener en nuestro entorno, especificando en qué perjudican y en qué benefician:
SUSTANCIA
NOCIVA
1.-
EN QUE
PERJUDICA
SUSTANCIA
BENÉFICA
EN QUÉ NOS
BENEFICIA
1.-
2.-
2.-
3..-
3.-
4..-
4.-
5.-
5.-
Ejercicio 3.
De los siguientes ejemplos señale: con una “E” los que sean elementos, con una
“C” los que sean compuestos, con la palabra “MOL” las que sean mezclas
homogéneas y con “MH” las que sean mezclas heterogéneas:
Plata
Tejuino
Refresco
Agua de Mar
Oro
Desodorante
Carbón
Agua con aceite
Vino Tinto
Petróleo
Agua Natural
Aspirina
210
Salsa Dulce
Ensalada
Mayonesa
Aluminio
Jabón
Gasolina
Química I
Ejercicio 4.
Coloca la derecha de cada ejemplo si se trata de un cambio químico o de un
cambio físico:
Cristal Quebrado
Quemar una llanta
Fundir el Oro
Aserrado de la Madera
Congelación del agua
Hielo derretido
Agua Hirviendo
Oxidación del hierro
Cocción de un huevo
Digestión de los alimentos
Combustión de la gasolina
La Respiración
211
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
ÁTOMOS
Teoría y Modelos Atómicos
El estudio de la estructura atómica ha presentado una serie de evoluciones a lo
largo de la historia; las citas son muchas y muy variadas, aunque destacan por su
importancia, en un inicio, las teorías de Leucipo y Demócrito (siendo este último el
más controversial), que son las que guardan mayor relación con el estudio
histórico de la teoría atómica, y con la química en sí. Es a Demócrito a quien se le
atribuye la mención de la primera teoría atómica en virtud de haber señalado que
“toda la materia estaba conformada por partículas diminutas e indivisibles
llamadas átomos”. Cabe señalar que otro pensador griego llamado Empédocles
hizo mención de la materia en otro orden de ideas, a saber, él señalaba que la
materia se componía de cuatro sustancias básicas las cuales eran: agua, aire,
tierra y fuego, y demás dicha postura fue apoyada por uno de los grandes filósofos
griegos: Aristóteles. Así, transcurrieron casi dos mil años para que surgieran otras
inquietudes acerca de una teoría estructural, siendo hasta el siglo XVII, que la
atención se enfoca nuevamente hacia ellas. Dentro de los estudios realizados se
mencionan algunos científicos cuyas aportaciones revolucionaron el campo en
cuestión, hacemos referencia entonces de John Dalton, Thomson, Rutherfor y
Niels Bohr.
Teoría de Dalton
John Dalton, Científico inglés, es considerado el primero en desarrollar la teoría
moderna de los átomos, a los cuales consideró las partículas más pequeñas de
los elementos químicos.
212
Química I
John Dalton
Estableció una relación de los conceptos de elemento químico y átomo,
basándose como punto de partida en algunas evidencias experimentales como lo
fueron: La ley de la conservación de la masa de Lavoisier y La ley de las
proporciones constantes de Proust. Para dar mayor esclarecimiento a dichas leyes
propuso una teoría que se resume en los siguientes postulados:
1. Los elementos están compuestos de pequeñas partículas separadas
llamadas átomos.
2. Los átomos son partículas indivisibles e indestructibles.
3. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos en su masa y tienen
las mismas propiedades químicas y físicas, pero diferentes a los átomos de
otros elementos.
4. Cuando los átomos de los elementos se combinan para formar moléculas
de compuestos, lo hacen en simples proporciones de números enteros.
5. Los átomos de diferentes elementos pueden unirse en diferentes
proporciones para formar más de un compuesto.
213
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Modelo de Thomson
Transcurrido algún tiempo de la publicación de la anterior teoría se efectuaron
estudios más precisos en los que se determinó que el átomo no es la única
partícula de la materia sino que existen otras partículas subatómicas como el
electrón, el protón y el neutrón.
A finales del siglo XIX, el físico británico, J. J. Thomson desarrolló una serie de
experimentos en los que se evidenció la existencia de rayos catódicos, los cuales
pusieron de manifiesto la presencia de electrones, que son corpúsculos con carga
negativa y que se encuentran en todos los átomos.
Cuando el electrón es considerado como una partícula fundamental de la materia
y que se localiza en todos los átomos, los científicos de la época especularon
durante varios años en lo referente a la incorporación de los electrones en el
átomo, es decir, cómo era el átomo físicamente hablando.
J.J. Thomson
El modelo de Thomson fue punta de lanza en explicar cómo se encontraban estas
partículas. Sugirió un modelo en el cual la carga positiva, semejaba una nube
difusa, en la que los electrones estaban suspendidos en esta nube, que se
asemejaba a un cuerpo circular gelatinoso con los electrones incrustados en ella.
A este modelo también se le nombró como “El budín de pasas” por su semejanza
a este postre.
214
Química I
Modelo de Rutherford
Rutherford, fue un científico Neozelandés nacido en el año de 1871. Después de
graduarse en física trabajó investigando al electromagnetismo, actividad por la
cual se hizo acreedor a una beca en Inglaterra, lugar donde se encontró con J. J.
Thomson, más concretamente en los laboratorios de Cavendish para el año 1895.
Ya establecido en Cambridge continuó con la línea de investigación de entonces,
orientada a los rayos X, así como la de los estudios de Henry Bequerel acerca de
la conducción eléctrica de algunos gases. A finales de siglo, por sus estudios
comprobó que los rayos X y la radiactividad presentaban efectos similares sobre
los gases, de lo que encontró que la radiactividad se manifestaba en dos tipos:
rayos Alfa y rayos Betta. Mientras que los rayos Alfa eran rechazados por una
laminilla delgada de aluminio, los rayos Betta eran tan penetrantes como los rayos
X. Posteriormente descubrieron otro tipo de radiación mucho más penetrante que
las mencionadas anteriormente a los cuales se les llamó rayos Gamma. Estos
últimos son capaces de penetrar láminas gruesas de metal, por lo que se advirtió
de su peligrosidad debido a que su radiación electromagnética es de mayor
energía que los rayos X.
En 1908 Rutherford recibió el premio Nobel de Química por sus trabajos
realizados en los rayos Alfa, mencionando que dichos rayos no eran más que
iones de Helio, hipótesis de la que estuvieron de acuerdo algunos científicos que
también recibieron premio Nobel.
Rutherford
215
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
A Rutherford se le considera como el primero en dar una estructura para el átomo,
puesto que se le reconoce por haber descubierto el núcleo atómico, el cual decía
estaba formado por un pequeño núcleo y una periferia.
El modelo atómico de Rutherford se puede resumir en tres postulados:
1. La mayor parte de la masa y toda la carga positiva de un átomo está
centrada en una región muy pequeña, llamada núcleo .La mayor parte del
átomo es un espacio vacío.
2. La magnitud de la carga positiva es diferente para los distintos átomos y es
aproximadamente la mitad de la masa atómica del elemento.
3. Fuera del núcleo existen tantos electrones como unidades de carga positiva
hay en el núcleo. El átomo en su conjunto es eléctricamente neutro.
Modelo de Bohr
Niels Bohr, físico nacido en Dinamarca, en el año de 1885 que realizo fundamentales
aportaciones para la comprensión de la estructura del átomo y la mecánica cuántica. En
1916, Bohr comenzó a ejercer de profesor en la Universidad de Copenhague, accediendo
en 1920 a la dirección del recientemente creado Instituto de Física Teórica.
En 1943, con la 2ª Guerra Mundial plenamente iniciada, Bohr escapó a Suecia
para evitar su arresto por parte de la policía alemana, viajando posteriormente a
Londres. Una vez a salvo, apoyó los intentos anglo-americanos para desarrollar
armas atómicas, en la creencia errónea de que la bomba alemana era inminente, y
trabajó en Los Álamos, Nuevo México (EE. UU.) en el Proyecto Manhattan.
Basándose en las teorías de Rutherford, publicó su modelo atómico en 1913,
introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas, que en la teoría mecánica
cuántica consiste en las características que, en torno al núcleo atómico, el número
de electrones en cada órbita aumenta desde el interior hacia el exterior.
En 1922 recibió el Premio Nobel de Física por sus trabajos sobre la estructura
atómica y la radiación. Numerosos físicos, basándose en este principio,
concluyeron que la luz presentaba una dualidad onda-partícula mostrando
propiedades mutuamente excluyentes según el caso.
216
Química I
Niels Bohr
El modelo atómico de Bohr considera:
1. Que los electrones en un átomo se mueven en regiones específicas a
ciertas distancias del núcleo, llamados niveles de energía, los cuales tienen
un valor de energía cuan-tizado.
2. Bohr le asignó un número entero a cada nivel de energía y lo representó
como “n”.
3. Al moverse el electrón en cierto nivel de energía, este no gana ni pierde
energía; tales niveles de energía son llamados estados estacionarios del
átomo.
Número y Masa de los Átomos
Las conclusiones a las que se pueden llegar, a partir de todas las aportaciones de
los científicos antes mencionados, es que el átomo se encuentra conformado por
un núcleo y una periferia, en el núcleo se localizan los protones y los neutrones; se
considera además que ambas partículas representan prácticamente la totalidad de
la masa del átomo. En la periferia se localizan los electrones (electrón es una
palabra de origen griego que significa ámbar, y que a su vez es una resina natural
de algunas cortezas de los árboles).
217
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
CARACTERÍSTICAS DE LAS PARTÍCULAS DEL ÁTOMO
Nombre
Masa en gramos
Uma
Carga eléctrica
Protón
1.67265 X 10-24
1
+1
Neutrón
1.67495 X 10-24
1
0
Electrón
9.1091 X 10-28
1/1837
-1
DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA EN EL ÁTOMO
Una vez que los estudios realizados al átomo arrojaron que los electrones se
encuentran girando alrededor de un núcleo, los científicos se plantearon encontrar
la cantidad de electrones que giran en torno a estos; y ello se llevó a cabo en
función de los enlaces atómicos que se realizaban entre los distintos elementos, lo
que definió entonces la cantidad y la disposición para ceder o compartir electrones
de la última órbita.
En primera instancia se aceptó identificar al átomo de la siguiente forma:
El modelo anterior nos muestra que existe una determinada cantidad de
electrones en las diferentes capas que un átomo puede presentar, dependiendo
del elemento que se trate. Así se ha hecho mención de que hay solamente siete
niveles de energía en los que giran los electrones en número distinto; para ser
más
claros
mostramos
la
siguiente
tabla:
218
Química I
Numero de órbita o capa
1
Letra de identidad
L
Número de electrones
2
2
M
8
3
N
18
4
O
32
5
P
32
6
Q
18
7
R
8
Para representar el átomo de Sodio, basados en la anterior tabla, procedemos
como sigue:
Nombre:
símbolo:
No. De Electrones:
(Num.
Representación:
Atómico)
letra L
Sodio
letra M
Na
11
Núcleo
2
8
1
Letra N
2 + 8 + 1 = 11
Para proceder a la realización de las anteriores representaciones se deben
respetar una serie de lineamientos establecidos en virtud de coincidir con el
periodo y el grupo al que pertenece el elemento a representar en la Tabla
periódica de los elementos químicos, a saber:
1.- La primera órbita puede tener de 1 a 2 electrones solamente, no rebasará esta
última cantidad.
2.- La segunda órbita puede tener de 1 a 8 electrones, pero no rebasar esta
última cantidad.
3.- La tercera órbita puede tener de 1 a 8 electrones, y de ser necesario colocar
18, pero no una cantidad que esté entre 8 y 18, ni mayor a esta última cifra.
4.- La cuarta órbita puede tener de 1 a 8 electrones, también 18 o 32 electrones
según sea el caso, pero no se colocará ninguna cantidad que esté entre 8 y 18 ni
tampoco alguna cantidad que esté entre 18 y 32.
5.- Cabe señalar que en la última órbita, independientemente del átomo que se
trate, no podrá tener más de 8 electrones.
219
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
6.- Como dato de igual importancia, se menciona que es necesario llenar lo más
pronto posible cada una de las órbitas, con el propósito de acumular los electrones
y distribuirlos adecuadamente.
Ejemplos:
Realice la representación grafica de los electrones que tiene un átomo de
plata:
1.- Ubicamos en la tabla periódica de los elementos químicos la localización de la
plata:
Símbolo:
Ag
2.- Observamos el número atómico de la plata: (número entero que colocado en la
parte superior izquierda o derecha de la tabla)
N.A.= 47
3.- Como el número atómico indica la cantidad de electrones procedemos de la
siguiente forma:
Elemento:
Símbolo:
Número de
Representación
Electrones
Plata
Ag
47
2
8
18
18 1
1 + 8 + 18 + 18 + 1 = 47
Es válido repetir 18
Realice la representación gráfica del yodo:
1.- Ubicamos en la tabla periódica al yodo:
Símbolo:
I
2.- Observamos el número atómico del yodo (Número entero de la parte superior
derecha o izquierda):
N.A. = 53
3.- El número atómico indica la cantidad de electrones, y se realiza lo siguiente:
Elemento
Símbolo
Yodo
I
2
8
Número de
Electrones
53
18 18
220
Representación
7
Química I
EJERCICIOS CON LOS CORPÚSCULOS ATÓMICOS. (RESUELTOS)
Para poder determinar la cantidad de electrones, protones y neutrones de algún
átomo, considerando únicamente la masa atómica y el número atómico, se
procede de la siguiente forma:
I.- Si el elemento Cromo (Cr), presenta como número atómico 24, y su masa
atómica es de 52, ¿Qué cantidad de neutrones, protones y electrones tiene?
1.- Como el número atómico indica la cantidad de protones y electrones, entonces
Protones = 24
Electrones = 24
2.- La masa atómica es igual al número de neutrones más el número de protones
Despejando:
Neutrones = masa __ Número de
Atómica
protones
52 - 24
=
28 Neutrones
Respuesta:
Neutrones = 28
Protones = 24
Electrones = 24
II.- Si el elemento Galio (Ga) tiene un número atómico de 31, y una masa
atómica de 70, ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene?
1.- El número atómico indica la cantidad de protones y electrones, entonces:
Protones = 31
Electrones = 31
2.- Si la masa atómica es la suma de protones y neutrones, entonces despejamos:
Neutrones = masa __ Número de
Atómica
protones
70 -
31
=
39 Neutrones
Respuesta:
Protones = 31
Electrones = 31
Neutrones = 39
221
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Los Isótopos
Cuando echamos un vistazo a la tabla periódica de los elementos químicos, y más
concretamente en algún elemento que nos llame la atención, nos encontraremos
con que en cada pequeño recuadro que encierra algún átomo se muestra una
determinada cantidad de números que rodean al símbolo del elemento; por
ejemplo el carbono se muestra de la siguiente forma:
el sodio de igual
manera:
El número que se encuentra en la parte inferior, con decimales, representa la
masa del elemento, que también es conocida como UMA (unidad de masa
atómica). Considerando lo que estudiamos con anterioridad, la masa atómica es la
suma de protones y neutrones y deberíamos obtener sólo números enteros, pero,
¿por qué tenemos decimales en la masa atómica? La razón se encuentra en que
no todos los átomos del mismo elemento tienen la misma masa, esto es que
existen átomos que tienen el mismo número atómico pero diferente masa atómica
y a estos se les llama ISÓTOPOS.
En 1934, los esposos Irene Curie y Fréderic Joliot, estudiando la producción de
neutrones al bombardear una lámina de aluminio con partículas alfa, descubrieron
que se formaba un isótopo radiactivo del fósforo. Comprobaron que además de los
neutrones aparecían positrones que no esperaban (ni cabía esperar) y que no
cesaban de producirse al dejar de bombardear, tal como sucedía con los
neutrones.
Lo que hace más evidente a un isótopo de otro es que tiene, en su núcleo,
diferente cantidad de Neutrones, lo cual es favorable para los avances de la
ciencia y la tecnología en distintas ramas del conocimiento como la medicina, la
aeronáutica, etc.
Por ejemplo existen átomos de cloro que cuentan con la siguiente cantidad de
partículas:
Protones = 17; Electrones = 17; Neutrones = 18
222
Química I
Pero también los hay con las siguientes cantidades:
Protones = 17; Electrones = 17; Neutrones = 20
Existen isótopos radiactivos artificiales que tienen periodos de semi-desintegración
pequeños. En algunos isótopos su masa se descompone cantidades más
pequeñas, al pasar un determinado tiempo, y lo hacen en proporción a dicho
tiempo transcurrido, lo que se conoce como vida media.
La vida mitad, semivida, hemivida o periodo de semi-desintegración de un isótopo
radiactivo es el tiempo que transcurre para que se desintegren la mitad de los
átomos de una muestra. La desintegración de un átomo se dice que es
espontánea ya que aunque se puede conocer la probabilidad de su ocurrencia, es
imposible predecir el momento en el que un átomo se desintegrará.
Ejemplos.
Determina el tiempo que transcurre, si teníamos 54 gramos de una muestra de un
isótopo y actualmente se contabilizaron 6.75 gramos; sabiendo que su vida media
es de 3.5 años.
Gramos
54
27
13.5
6.75
Tiempo
0
3.5
7
10.5
(Años)
Respuesta: Transcurrieron 10.5 años
24
La vida media de un isótopo es de 63 años, si logramos tener una muestra con 70
gramos de tal elemento, ¿Cuántos gramos quedarán al transcurrir 315 años?
Gramos
70
35
17.5
8.75
4.37
2.18
Tiempo
0
63
126
189
252
315
(Años)
Respuesta:
Quedarán 2.18 gramos
223
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
1.- Realiza la representación grafica de los electrones que tienen los siguientes
átomos:
Cobre 29
Uranio 92
Helio 2
Oro 79
Estaño 50
Calcio 20
Aluminio 13
Radón 86
Hidrógeno 1
Hierro 26
2.- Resuelve lo que se indica a continuación:
1.- Si el elemento Cadmio (Cd), presenta como número atómico 48, y su
masa atómica es de 112, ¿Qué cantidad de neutrones, protones y
electrones tiene?
2.- Si el elemento Plomo (Pb) tiene un número atómico de 82, y una masa
atómica de 207, ¿Cuántos protones, electrones y neutrones tiene?
224
Química I
3.- El Arsénico (As) cuenta con una masa atómica de 75, y un número
atómico igual a 33, entonces ¿Qué cantidad de Protones, Electrones y
Neutrones presenta?
4.- De acuerdo a la tabla periódica el Bismuto (Bi), tiene 209 de masa atómica y un
número atómico de 83. ¿Qué cantidad de neutrones, protones y electrones tiene?
5.- Si logramos acumular una muestra de un isótopo radiactivo que tiene una vida
media de 28 años, y tenemos 40 gramos, ¿Cuánto tendremos en gramos si
transcurren 112 años?
6.- Una muestra de material radiactivo tiene una vida media de 95 años; al
acumular 140 gramos de dicho elemento, ¿Cuánto tiempo transcurre si llegasen a
quedar 8.75 gramos?
3.- Elabora una tabla comparativa en la que plasmes, al menos, tres aspectos
breves de las distintas teorías atómicas:
225
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
TABLA PERIÓDICA
La Tabla Periódica
La tabla periódica es una clasificación de los elementos químicos existentes, la
gran mayoría se encuentran en estado natural y otros fueron creados en
laboratorios, inclusive se sabe que algunos de ellos tienen corta vida, pues se
desintegran al paso de un breve tiempo.
Se atribuye la primera clasificación al científico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleiev,
quien se baso de una variación manual de las propiedades químicas de los
elementos existentes hasta ese momento; así, sabemos que la forma actual es
una versión modificada de Mendeleiev, y fue diseñada por Alfred Werner.
Descubriendo los elementos
Aunque algunos elementos como el oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), plomo (Pb) y
el mercurio (Hg) ya eran conocidos desde la antigüedad, el primer descubrimiento
científico de un elemento ocurrió en el siglo XVII cuando el alquimista Henning
Brand descubrió el fósforo (P). En el siglo XVIII se conocieron numerosos nuevos
elementos, los más importantes de los cuales fueron los gases, con el desarrollo
de la química neumática: oxígeno (O), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). También se
consolidó en esos años la nueva concepción de elemento, que condujo a Antoine
Lavoisier a escribir su famosa lista de sustancias simples, donde aparecían 33
elementos. A principios del siglo XIX, la aplicación de la pila eléctrica al estudio de
fenómenos químicos condujo al descubrimiento de nuevos elementos, como los
metales alcalinos y alcalino–térreos, sobre todo gracias a los trabajos de Humphry
Davy. En 1830 ya se conocían 55 elementos. Posteriormente, a mediados del
siglo XIX, con la invención del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos,
muchos de ellos nombrados por el color de sus líneas espectrales características:
226
Química I
cesio (Cs, del latín caesĭus, azul), talio (Tl, de talio, por su color verde), rubidio
(Rb, rojo), etc.
En la tabla periódica se encuentran separados dos grandes grupos: Los metales y
Los No metales.
Las columnas en la tabla periódica se conocen como familias y sus respectivos
nombres son:
GRUPO 1(IA):
GRUPO 3(IIIB):
GRUPO 5(VB):
GRUPO 7(VIIB):
GRUPO 9(VIIB):
GRUPO 11(IB):
GRUPO 13(IIIA):
GRUPO 15(VA):
GRUPO 17(VIIA):
Metales alcalinos
Familia del Escandio
Familia del Vanadio
Familia de Manganeso
Familia de Cobalto
Familia Cobre
Los térreos
Los nitrógenos-ideos
Los halógenos
GRUPO 2(IIA):
GRUPO 4(IVB):
GRUPO 6(VIB):
GRUPO 8(VIIIB):
GRUPO 10(VIIIB):
GRUPO 12(IIB):
GRUPO 14(IA):
GRUPO 16(IA):
GRUPO 18(IA):
Los metales alcalinotérreos
Familia Titanio
Familia del Cromo
Familia del Hierro
Familia de Níquel
Familia del Zínc
Los carbonos-ideos
Los calcógenos
Los gases nobles
La tabla periódica consta de 7 períodos, considerando la posición horizontal:
Período 1
Período 7
Período 2
Período 3
Período 4
Período 5
Período 6
Estas filas son hileras horizontales que corresponden a los siete niveles de
energía, todos aquellos elementos que pertenecen al mismo periodo, su
distribución electrónica termina en el mismo nivel de energía.
227
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Metales
Los metales poseen ciertas propiedades físicas características, entre ellas son
conductores de la electricidad. Hay todo tipo de metales: metales pesados,
metales preciosos, metales ferrosos, metales no ferrosos, etc. y el mercado de
metales es muy importante en la economía mundial.
La mayoría de ellos son de color grisáceo, pero algunos presentan colores
distintos; el bismuto (Bi) es rosáceo, el cobre (Cu) rojizo y el oro (Au) amarillo. En
otros metales aparece más de un color; este fenómeno se denomina policromismo.
228
Química I
Metales que están destinados a un uso especial, son el antimonio, el cadmio o el
litio.Los pigmentos amarillos y anaranjados del cadmio son muy buscados por su
gran estabilidad, como protección contra la corrosión, para las soldaduras y las
aleaciones correspondientes y en la fabricación de baterías de níquel y cadmio,
consideradas excelentes por la seguridad de su funcionamiento. También se le
utiliza como estabilizador en los materiales plásticos (PVC) y como aleación para
mejorar las características mecánicas del alambre de cobre. Su producción se
lleva a cabo en el momento de la refinación de zinc, con el que está ligado, se
trata de un contaminante peligroso.
El litio, metal ligero, se emplea principalmente en la cerámica y en los cristales,
como catalizador de polimerización y como lubricante, así como para la obtención
del aluminio mediante electrólisis. También se emplea para soldar, en las pilas y
en las baterías para relojes, en medicina (tratamiento para los maníacodepresivos) y en química.
El níquel, a causa de su elevada resistencia a la corrosión, sirve para niquelar los
objetos metálicos, con el fin de protegerlos de la oxidación y de darles un brillo
inalterable en la intemperie.
El denominado "hierro blanco" es, en realidad, una lamina de acero dulce que
recibe un baño de cloruro de zinc fundido, y a la que se da después un
revestimiento especial de estaño.
Existen algunas otras propiedades de los metales que marcan aún más la
diferencia con otros elementos, las cuales son:
Resistencia mecánica: capacidad para resistir esfuerzo
comprensión, torsión y flexión sin deformarse ni romperse
de
tracción,
Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambre e hilos al ser
sometidos a esfuerzos de tracción.
Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse o al recibir fuerzas
bruscas (golpes, etc.)
Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse láminas al ser sometidos a
esfuerzos de compresión.
229
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
No Metales
Los no metales son elementos que tienden a ganar electrones para completar su
capa externa (capa de valencia) con ocho, característico de la “regla del octeto”, y
así lograr una configuración estable. Las propiedades de los no metales son, entre
otras, son malos conductores de electricidad y de calor. No tienen lustre. Por su
fragilidad no pueden ser estirados en hilos ni aplanados en láminas.
Los no metales forman la mayor parte de la tierra, especialmente las capas más
externas, y los organismos están compuestos en su mayor parte por no metales.
Algunos no metales, en condiciones normales, son biatómicos en el estado
elemental: hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), oxígeno (O2), flúor (F2), cloro (Cl2),
bromo (Br2) y yodo (I2).
Algunos ejemplos de no metales mencionados comúnmente y de mayor empleo
para cubrir necesidades de diferente índole, colocados orden de número atómico
Hidrógeno (H) Carbono (C) Nitrógeno (N) Oxígeno (O) Flúor (F) Fósforo (P)
Azufre (S) Cloro (Cl) Selenio (Se) Bromo (Br) Yodo (I) Astato (At).
Metaloides
Los metaloides son un grupo de elementos que se localizan en una línea que
divide a los metales de los no metales en un costado de la tabla periódica; reciben
este nombre debido a que cuentan con propiedades intermedias entre ambos
grupos, lo que indica que se pueden comportar ocasionalmente como metales y
otras veces como no metales.
Junto con los metales y los no metales, los semimetales (también conocidos
como metaloides) comprenden una de las tres categorías de elementos químicos
siguiendo una clasificación de acuerdo con las propiedades de enlace e
ionización. Sus propiedades son
Intermedias entre los metales y los no metales. No hay una forma unívoca de
distinguir los
Metaloides de los metales verdaderos, pero generalmente se diferencian en que
los metaloides son semiconductores antes que conductores.
Son considerados metaloides los siguientes elementos:
230
Química I
Boro (B) Silicio (Si) Germanio (Ge) Arsénico (As) Antimonio (Sb) Telurio (Te)
Polonio (Po)
Dentro de la tabla periódica los metaloides se encuentran en línea diagonal desde
el boro al astato. Los elementos que se encuentran encima a la derecha son no
metales, y los que se encuentran debajo a la izquierda son metales.
Son elementos que poseen, generalmente, cuatro electrones en su última órbita.
El silicio (Si), por ejemplo, es un metaloide ampliamente utilizado en la fabricación
de elementos semiconductores para la industria electrónica, como rectificadores,
diodos, transistores, circuitos integrados, microprocesadores, etc.
Gases Nobles
Los gases nobles son un grupo de elementos químicos que incluyen según el
orden por peso molecular:
Helio (He) - neón (Ne) - argón (Ar) - kriptón (Kr) - xenón (Xe) radón (Rn)
En el caso de los gases nobles y dada la disposición de sus electrones en las
capas más externas (orbitales), son químicamente inertes lo que significa que no
reaccionan frente a otros elementos químicos (por este motivo se llaman nobles).
Los átomos que componen este grupo de gases ni siquiera se relacionan entre
ellos mismos, a excepción de los pesados como el xenón que en determinadas
condiciones forzadas pueden formar algún tipo de compuesto si se relaciona con
elementos químicos muy reactivos como por ejemplo el oxígeno y/o el flúor.
Debido a esta carencia de reactividad química, los gases nobles, a diferencia de lo
que sucede con otros elementos químicos tales como el hidrógeno, el oxígeno, el
nitrógeno, el flúor o el cloro, no forman moléculas biatómicas, sino que están
constituidos por átomos individuales. Asimismo, y tal como se desprende de su
nombre, en condiciones normales se presentan siempre en estado gaseoso.
231
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
1.- Completa el siguiente crucigrama con el nombre de los metaloides
(la flecha
indica el inicio del nombre del elemento)
A
2.- Del siguiente grupo de elementos coloca, a la derecha del mismo, si
corresponde a un metal (M), si es un no metal (NM), si es un metaloide (ME), o si
es gas noble (GN).
Antimonio _______
Cadmio _______
Azufre _______
Paladio _________
Polonio ______
Platino_______
Oxígeno _________
Mercurio _____
Plata ________
Kriptón __________
Cinc _______
Estaño ______
Cobalto _________
Cloro _______
Astato ______
Yodo
Radón _______
Bismuto _____
_________
34
232
Química I
3.- Coloca el nombre o símbolo de cada elemento según sea el caso.
Tl
Magnesio
H
Antimonio
Mn
Potasio
Estroncio
Li
Hierro
Cesio
Ni
Ar
Mercurio
Escandio
Fósforo
Flúor
Sodio
Zn
Cu
Pb
Ra
Cl
Ca
Carbono
Estaño
233
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
ENLACES
Enlace Químico
En la mayoría de contextos en los que nos desenvolvemos observamos una serie
de sustancias y mezclas que nos parecen tan comunes u ordinarias que pasa a
ser una costumbre el estar en contacto con ellas. Como por ejemplo podemos citar
la sal de mesa que no es más que un enlace entre el sodio y el cloro, como lo
muestra una de las imágenes al inicio de esta unidad; o la tan empleada azúcar
que también es una mezcla de tres distintos átomo de carbono, hidrógeno y
oxígeno; por otra parte cuando inhalamos aire al respirar, lo que verdaderamente
ingresa a nuestros pulmones es el oxígeno, y que al exhalar este aire lo que
emitimos es una mezcla de carbono y oxígeno.
Se pueden citar una serie de ejemplos claros al respecto, sin embargo es
importante que sepamos cómo se unen algunos elementos químicos para formar
estos compuestos; y precisamente en la presente temática se abordan aspectos
relacionados con los enlaces entre elementos químicos.
Acerca de la definición se puede decir que un enlace químico es “la fuerza de
atracción que mantiene unidos a los átomos en una molécula o compuesto”.
Al unirse dos átomos, lo hacen debido a que entre ellos existe afinidad, de ello se
desprende que un átomo no puede unirse con todos los átomos de la naturaleza,
sino que se unirá con aquellas que presenten características comunes y afines.
Cuando un átomo logra unión con otro y se forma un nuevo compuesto, lo hace
ganando, perdiendo o compartiendo electrones de valencia, que son los que se
encuentran en el nivel más alto de energía (la última capa), lo que origina
diferentes tipos de enlaces.
234
Química I
TIPOS DE ENLACE
Los enlaces, como ya se dijo, se presentan de diferente forma de acuerdo a las
características de los átomos.
ENLACE IÓNICO O
METÁLICO
ELECTROVALENTE
ENLACE COVALENTE
SIMPLE
SENCILLO
DOBLE
ENLACE
COORDINADO
TRIPLE
Regla del Octeto
En los elementos químicos, los átomos buscan una tendencia para tener ocho
electrones en el nivel más externo (última capa de energía), que es prácticamente
lo mismo que presentan los gases nobles o inertes, por ello se le llama la regla del
octeto o ley del octeto.
Cuando se presenta una reacción química, así como la formación de los enlaces
químicos, los electrones de cada átomo sufren un reacomodo de manera que cada
uno tenga ocho electrones en su capa de valencia. Tal reacomodo se logra de dos
formas: la primera es mediante la transferencia de electrones entre los átomos y la
segunda mediante la compartición de dichos electrones.
Es así que dicha ley se puede expresar de la siguiente forma: “Todos los átomos
al combinarse tienen la tendencia para completar ocho electrones en el último
nivel de energía”.
El caso de los gases nobles es un dato a parte ya que se caracterizan por su
formidable tendencia química que conduce a la falta de verdaderos compuestos
químicos, o a la existencia de unos pocos e inestables, esta tendencia química se
debe a la configuración electrónica estable en su periferia, en los que sus orbitales
externos y subniveles se encuentran llenos de electrones.
235
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Uno de los ejemplos más claros es el del cloruro de sodio (sal común) en el que el
sodio tiende a ceder su electrón de valencia al cloro que tiene siete electrones en
su última capa y necesita del electrón del sodio para lograr la formación de ese
compuesto, y así lograr la estabilidad
Otro ejemplo muy común es el dióxido de carbono en el que dos átomos de
oxígeno comparten sus electrones con un átomo de carbono y así logran
estabilidad ambos átomos formando este tan conocido compuesto.
Enlace Iónico
Lo característico de este tipo de enlace es que se presenta una transferencia de
electrones, en la que un átomo cede electrones y otro átomo los recibe.
Dado que los elementos implicados tienen elevadas diferencia de
electronegatividad, este enlace suele presentarse entre un elemento metálico y un
no metálico. Se produce una transferencia electrónica total de un átomo a otro
formándose iones de diferente signo.
Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga
opuesta, unidos por fuerzas electrostáticas.
236
Química I
CARACTERÍSTICAS
Algunas características de este tipo de enlace son:
x Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico
x Tienen altos puntos de fusión y ebullición ( entre 300 0 C y 10000 C)
x Son enlaces resultantes entre la interacción de los metales de los grupos I
y II, y los no metales de los grupos VI y VII de la tabla periódica.
x Son solubles como en agua y otras disoluciones acuosas
x En estado sólido no conducen la electricidad
x Una vez fundidos en disolución acuosa si son conductores de electricidad.
La unión entre el sodio y el cloro es un enlace iónico.
El sodio metálico es un metal sólido plateado y blando que se puede dividir con
una navaja filosa, y reacciona inmediatamente con el oxígeno y el vapor de agua
presente en el aire. Mientras el cloro es un no metal reactivo, es un gas amarillo
verdoso pálido de olor irritante. Cuando se coloca un trozo de sodio metálico en un
matraz con cloro gaseoso, se produce una reacción vigorosa y se produce un
sólido blanquecino estable. Al suceder esto, el átomo de sodio transfiere un
electrón al átomo de cloro de lo que se forma un ión sodio y un ión cloruro.
Na
Cl
Enlace Covalente
Este tipo de enlace consiste en que dos átomos, para completar su octeto,
comparten electrones.
237
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Un enlace covalente se produce por el compartimiento de electrones entre dos o
más átomos. Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos
gaseosos no metales.
A diferencia de lo que pasa en un enlace iónico, en donde se produce la
transferencia de electrones de un átomo a otro, en el enlace covalente, los
electrones de enlace son compartidos por ambos átomos. En el enlace covalente,
los dos átomos no metálicos comparten uno o más electrones, es decir se unen a
través de sus electrones en el último orbital, el cual depende del número atómico
en cuestión. Entre los dos átomos puede compartirse uno, dos o tres electrones, lo
cual dará lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple.
CARACTERÍSTICAS
Algunas características de este tipo de enlace son:
238
Química I
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Temperaturas de fusión y ebullición bajas.
En condiciones normales (25 °C aprox.) pueden ser sólidos, líquidos o
gaseosos
Son blandos en estado sólido.
Son aislantes de corriente eléctrica y calor.
Elevadas temperaturas de fusión y ebullición.
Son sólidos.
Son sustancias muy duras (excepto el grafito).
Son aislantes (excepto el grafito).
Son insolubles.
Estructura de Lewis
Los electrones de valencia están presentes en todos los átomos y son los que
podemos identificar en los últimos niveles de energía u orbitales y cuentan con la
capacidad de participar en los cambios químicos.
Gilberto N. Lewis, presentó sus trabajos en las primeras décadas del siglo XX, los
cuales consistían en tratar de explicar la formación del enlace químico. Para lograr
lo anterior Lewis representó al núcleo del átomo y a todos los electrones del
interior con el símbolo del elemento, y a los electrones de valencia por medio de
puntos, cruces o círculos, cada uno de los cuales representa un electrón,
alrededor del símbolo. El grupo al que pertenece el elemento es igual al número
de puntos que se colocan alrededor del mismo. Para citar algunos ejemplos, si el
litio se encuentra en el grupo I Lewis lo representó así:
Li
Al carbono que se encuentra en el grupo IV, por lo que tiene 4 electrones de
valencia, así:
C
Y al magnesio que se encuentra en el grupo II:
Mg
239
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
La Estructura de Lewis, o puede ser llamada diagrama de punto, modelo de Lewis
o ALDA representación de Lewis, es una representación gráfica que muestra los
enlaces entre los átomos de una molécula y los pares de electrones solitarios que
puedan existir. Diagrama de Lewis se puede usar tanto para representar
moléculas formadas por la unión de sus átomos mediante enlace covalente como
complejos de coordinación.
1.- Contesta las siguientes preguntas.
a. ¿En qué consiste el enlace químico?
b. ¿Cuáles son los tipos de enlace que se mencionaron en esta unidad?
c. ¿En qué consiste el enlace Iónico?
d. ¿En qué consiste el enlace covalente?
e. Menciona cinco elementos químicos que forman enlace iónico:
f. Considerando el tipo de elementos (metales y no metales) indica qué tipo
de enlace (iónico o covalente) forman las siguientes uniones:
240
Química I
H y O _____________
_________________
Na y O_______________
Mg y O
Rb y O _____________
__________________
Fe y F _______________
H y
Li y Cl _____________
_________________
C y O _______________
Fr y Br
241
O
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ESTEQUIOMETRÍA
En química, la estequiometria (del griego στοιχειον, stoicheion, 'elemento' y
μετρον, métrón, 'medida') es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los
reactivos y productos en el transcurso de una reacción química; y de igual forma
podemos entender su significado etimológico como “ la medida de los elementos”.
Si consideramos una ampliación de esta definición decimos que la “estequiometria
como la parte de la química que estudia las reacciones cuantitativas entre los
elementos que constituyen los compuestos y entre las sustancias que intervienen
en las reacciones químicas, tanto en peso como en volumen”
En una reacción química se observa una modificación de las sustancias
presentes: Los reactantes se consumen para dar lugar a los productos.
A escala microscópica, la reacción química es una modificación de los enlaces
entre atomos, por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros
se forman, pero los átomos implicados se conservan. Esto es lo que llamamos la
ley de conservación de la masa que implica dos leyes siguientes.
La conservación del número de átomos de cada elemento químico; La
conservación de la carga total. Las relaciones estequiométricas entre las
cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente
de estas leyes de conservación. Y están determinadas por la ecuación (ajustada)
de la reacción.
242
Química I
Reacción Química
Una reacción química es el cambio que se suscita entre dos o más sustancias
químicas que entran en contacto para producir una sustancia nueva o diferente a
las primeras, y que consta de dos partes fundamentales: Reactantes y productos.
Los reactantes, al entrar en contacto, experimentan un cambio y los productos
son el resultado de dicho cambio.
Citamos un ejemplo:
MgOH + H2CO3
REACTANTES
Mg2CO3 + H2O
PRODUCTOS
A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas.
Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de las
condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un estudio
cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según cambien
las condiciones, determinadas cantidades permanecen constantes en cualquier
reacción química. Estas cantidades constantes, las magnitudes conservadas,
incluyen el número de cada tipo de átomo presente, la carga eléctrica y la masa
total.
Podemos clasificarlas de acuerdo al tipo de productos que resulta de la reacción.
En esta clasificación entran las reacciones de síntesis (combinación),
descomposición, de sustitución simple, de sustitución doble:
Nombre
Descripción
Representación
Ejemplo
A+B → AB
Reacción de
síntesis
Elementos o
Donde A y B representan
compuestos
cualquier sustancia
sencillos que se
química.
unen para formar
243
2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
un compuesto
más complejo.
Un ejemplo de este tipo de
reacción es la síntesis del
cloruro de sodio:
La siguiente es la
forma general que
presentan este tipo
de reacciones:
Un compuesto se
fragmenta en
elementos o
compuestos más
Reacción de
sencillos. En este
descomposición
tipo de reacción
un solo reactivo se
convierte en zonas
o productos.
AB → A+B
Donde A y B representan
cualquier sustancia
química.
2H2O(l) → 2H2(g) + O2(g)
Un ejemplo de este tipo de
reacción es la
descomposición del agua:
A + BC → AC + B
Donde A, B y C
Reacción de
representan cualquier
Un elemento
desplazamiento
sustancia química.
reemplaza a otro
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
o simple
en un compuesto. Un ejemplo de este tipo de
sustitución
reacción se evidencia
cuando el hierro(Fe)
desplaza al cobre(Cu) en el
sulfato de cobre (CuSO4):
Los iones en un
compuesto
Reacción de
cambian lugares
doble
con los iones de
desplazamiento
otro compuesto
o doble
para formar dos
sustitución
sustancias
diferentes.
AB + CD → AD + BC
Donde A, B, C y D
representan cualquier
sustancia química.
Veamos un ejemplo de este
tipo de reacción:
244
NaOH + HCl → NaCl + H2O
Química I
Masa Molecular
La masa molecular relativa es un número que indica cuántas veces mayor es la
masa de una molécula de una sustancia con respecto a la unidad de masa
atómica. Su unidad es el Dalton o unidad de masa atómica, que se abrevia u
(antes uma).
La masa molecular se determina sumando las masas atómicas relativas de los
elementos cuyos átomos constituyen una molécula de dicha sustancia. A pesar de
que se sigue diciendo popularmente peso molecular, el término correcto es masa
molecular.
Prácticamente todas las sustancias se presentan como moléculas, o como iones.
Al hacer remembranza, sabremos que una molécula es una adición de por lo
menos un par de átomos unidos por acción química en una forma definida;
mientras que los iones surgen por adición o eliminación de electrones a otro átomo
o molécula neutra, lo que origina el surgimiento de una partícula cargada. Así
mismo, sabemos que a las sustancias que contienen iones se les nombran
compuestos iónicos.
Si es que deseamos conocer la masa de una sustancia, lo consideramos como
masa formular de manera general, debido a que es utilizado tanto para sustancias
o compuestos iónicos, que para moléculas, es decir, nos referimos a la masa
contenida en una unidad de fórmula. Por otra parte la masa molecular se refiere
concretamente a la masa de las sustancias a nivel molecular.
La masa molecular se puede definir entonces como
atómicos de una sustancia molecular”.
“La suma de los pesos
Luego entonces, para determinar la masa molecular de una sustancia, tendremos
que hacer uso de la tabla periódica de los elementos químicos una vez más, para
localizar los pesos atómicos de los elementos presentes en dicha sustancia.
Como dato importante, y para agilizar la obtención de las masas moleculares, al
consultar cada peso atómico es necesario redondear la cifra con que cada
elemento cuenta, debido a que la mayoría de ellos presentan cantidades
expresadas en decimales, por ejemplo, si consultamos el peso atómico del
245
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oxígeno, sabremos que es 15.98, y al aplicar redondeo se le deja en 16; otro
ejemplo es del azufre cuyo peso atómico es de 32.07, y al redondear le dejamos
en 32. Esta acción aplicará para todos los átomos involucrados en las sustancias
de las que se pretende obtener la masa molecular.
Ejemplo 1:
Calcula la masa molecular del siguiente compuesto:
H2SO4
Considerando la información de la tabla periódica, los pesos atómicos son:
El peso atómico del H es 1.0079, lo redondeamos a 1.00
El peso atómico para el S es de 32.07, lo redondeamos a 32
El peso atómico para él O es de 15.98, lo redondeamos a 16.00
Después:
Multiplicamos el peso atómico por el subíndice que aparece en cada elemento.
H = 1.00 * 2 =
2
S = 32.0 * 1 = 32
O = 16.0 * 4 =
Sumamos
64
= 98
Las unidades para medir la masa molecular son: gr/mol
Ejemplo 2:
Calcular la masa molecular del
Ca (NO3)2
Peso atómico del Ca es 40.0 * 1 = 40
Peso atómico del N es 14 * 2 = 28
Peso atómico del 0 es 16 * 6 = 96
Sumamos
=
164 gr/mol
246
Química I
Ejemplo 3:
Determine la masa molecular del compuesto I2 O7
Peso atómico del I es
Peso atómico del O es
127 * 2 = 254
16 * 7 = 112
Sumamos
=
366 gr/mol
Basándonos de este último ejemplo, en química se dice que un mol de I2 O7
tiene 366 gramos por lo que podemos deducir que:
En 2 moles tendremos 732 gramos
En 3 moles tendremos 1098 gramos
En 10 moles tendremos 3660 gramos
Luego entonces, obtenemos la fórmula que establece que el número de moles es
igual a la masa de la muestra (W) sobre la masa molecular:
n =
W_
M.M.
A partir de la fórmula anterior tendremos la posibilidad de resolver el número de
moles que se encuentren en una determinada muestra de algún compuesto.
Por ejemplo:
¿Qué cantidad de moles de H2 CO3
compuesto?
Masa molecular del H2 CO3 =
tendríamos en 600 gramos del mismo
H = 1 * 2 =
2
C = 12 * 1 = 12
O = 16 * 3 = 48_
Suma =
49
247
62 gr/mol
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Realizamos sustitución de la fórmula
n =
W_
M.M.
n = 600_
62
n = 9.677 n
1. Calcule la masa molecular de los siguientes compuestos:
a) HClO4
b) MnSO4
c) KBrO4
d) Znl2
e) Ba (OH)2
f) Cr2(CO3)3
2.- Resuelve según se indique en cada situación.
¿Qué cantidad de moles de Pb (OH)4 tendríamos en 850 gramos del mismo
compuesto?
248
Química I
¿Qué cantidad de moles de CuTeO2 tendríamos en 1345 gramos del mismo
compuesto?
¿Qué cantidad de moles de H3BO3
compuesto?
tendríamos en 935 gramos del mismo
¿Qué cantidad de moles de H2 CO3
compuesto?
tendríamos en 900 gramos del mismo
¿Qué cantidad de moles de MnSO4
compuesto?
tendríamos en 600 gramos del mismo
249
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LA CONTAMINACIÓN DEL AIRE
La contaminación del aire: Se define como la presencia en la troposfera de una o
más sustancias en cantidades tales y con tal duración que pueda afectar la vida
humana, animales, plantas, o materiales afectando la calidad de vida.
La contaminación del aire es uno de los problemas ambientales más importantes,
y es resultado de las actividades del hombre. Las causas que originan esta
contaminación son diversas, pero el mayor índice es provocado por las actividades
industriales, comerciales, domésticas y agropecuarias.
La combustión empleada para obtener calor, generar energía eléctrica o
movimiento, es el proceso de emisión de contaminantes más significativo. Existen
otras actividades, tales como la fundición y la producción de sustancias químicas,
que pueden provocar el deterioro de la calidad del aire si se realizan sin control
alguno.
El aire puro es una mezcla gaseosa compuesta por un 78% de nitrógeno, un 21%
de oxígeno y un 1% de diferentes compuestos tales como el argón, el dióxido de
carbono y el ozono. Entendemos pues por contaminación atmosférica cualquier
cambio en el equilibrio de estos componentes, lo cual altera las propiedades
físicas y químicas del aire.
Los principales contaminantes del aire se clasifican en:
PRIMARIOS:
Son los que permanecen en la atmósfera tal y como fueron emitidos por la fuente.
Para fines de evaluación de la calidad del aire se consideran: óxidos de azufre,
monóxido de carbono, óxido de nitrógeno, hidrocarburos y partículas.
SECUNDARIOS:
Son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la
reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos
destacan los oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como
el ozono.
250
Química I
A nivel nacional, la contaminación atmosférica se limita a las zonas de alta
densidad demográfica o industrial. Las emisiones anuales de contaminantes en el
país son superiores a 16 millones de toneladas, de las cuales el 65 % es de origen
vehicular.
En la Ciudad de México se genera 23.6 % de dichas emisiones, en Guadalajara el
3.5 %, y en Monterrey el 3 %. Los otros centros industriales del país generan el 70
% restante.
Realiza la siguiente investigación:
1. Investiga cuáles son los productos que contaminan el aire y enlístalos.
2. Comprueben entre compañeros cada uno de los productos y depuren su
lista para que no se repitan.
3. Una vez que ya tengan esta lista, analicen que tan indispensable es que
usen este producto, por cuál lo pueden sustituir o de qué manera pueden
dañar menos al medio ambiente.
CONTAMINACIÓN DEL AGUA
El agua pura es un recurso renovable, sin embargo puede llegar a estar tan
contaminada por las actividades humanas, que ya no sea útil, sino más bien
nocivo.
¿Qué contamina el agua?
Agentes patógenos.- Bacterias, virus, protozoarios, parásitos que entran al agua
proveniente de desechos orgánicos.
Desechos que requieren oxígeno.- Los desechos orgánicos pueden ser
descompuestos por bacterias que usan oxígeno para biodegradarlos. Si hay
poblaciones grandes de estas bacterias, pueden agotar el oxígeno del agua,
matando así las formas de vida acuáticas.
251
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Sustancias químicas inorgánicas.- Ácidos, compuestos de metales tóxicos
(Mercurio, Plomo), envenenan el agua.
Los nutrientes vegetales pueden ocasionar el crecimiento excesivo de plantas
acuáticas que después mueren y se descomponen, agotando el oxígeno del agua
y de este modo causan la muerte de las especies marinas (zona muerta).
Sustancias químicas orgánicas.- Petróleo, plásticos, plaguicidas, detergentes que
amenazan la vida.
Sedimentos o materia suspendida.- Partículas insolubles de suelo que enturbian el
agua, y que son la mayor fuente de contaminación.
Sustancias radiactivas que pueden causar defectos congénitos y cáncer.
Calor.- Ingresos de agua caliente que disminuyen el contenido de oxígeno y hace
a los organismos acuáticos muy vulnerables.
Fuentes Puntuales Y No Puntuales
Las fuentes puntuales descargan contaminantes en localizaciones específicas a
través de tuberías y alcantarillas. Ej.: Fábricas, plantas de tratamiento de aguas
negras, minas, pozos petroleros, etc.
Las fuentes no puntuales son grandes áreas de terreno que descargan
contaminantes al agua sobre una región extensa. Ej.: Vertimiento de sustancias
químicas, tierras de cultivo, lotes para pastar ganado, construcciones, tanques
sépticos.
252
Química I
Investiga los puntos que se marcan por debajo de los siguientes tipos de
contaminación:
CONTAMINACIÓN DEL AGUA FREÁTICA Y SU CONTROL
Fuentes de contaminación del agua subterránea
Método de prevención
CONTAMINACIÓN DEL AGUA SUPERFICIAL
Contaminación por fuentes no puntuales
253
Contaminación por fuentes puntuales:
tratamiento de aguas de deshecho
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MACROMOLÉCULAS
Las macromoléculas son moléculas que tienen una masa molecular elevada,
formadas por un gran número de átomos. Generalmente se pueden describir como
la repetición de una o unas pocas unidades mínimas o monómeras, formando los
polímeros.
A menudo el término macromolécula se refiere a las moléculas que pesan más de
10.000 Dalton de masa atómica. Pueden ser tanto orgánicas como inorgánicas, y
se encuentran algunas de gran relevancia en el campo de la bioquímica, al
estudiar las biomoléculas. Dentro de las moléculas orgánicas sintéticas se
encuentran los plásticos. Son moléculas muy grandes, con una masa molecular
que puede alcanzar millones de UMAs que se obtienen por las repeticiones de una
o más unidades simples llamado “monómeros” unidos entre sí mediante enlaces
covalentes.
Forman largas cadenas que se unen entre sí por fuerzas de Van der Waals,
puentes de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas y por puentes covalentes.
Por lo general, se analizan moléculas en el que el número de átomos es muy
pequeño, el cual consta de una masa molecular relativamente pequeña, por
ejemplo la molécula de la sal común (Na Cl) consta de solo dos átomos y la masa
molecular relativa es de 58. En cambio, existen muchas clases de moléculas que
poseen una composición mucho más complicada, es decir, una gran cantidad de
átomos y un valor grande en su masa molecular; a esta clase de composiciones
se le denomina macromoléculas. Específicamente una macromolécula tiene una
cantidad mínima de 1000 y una masa no menos de 10.000. Además los eslabones
que unen la molécula no conducen a variación en las propiedades físicas, si estos
254
Química I
son adicionados de manera complementaria. Por ejemplo la molécula del
polietileno, cuya masa molecular relativa es de 280.000 y consta de 20.000
eslabones de grupos CH2. Otro ejemplo es la molécula del ácido ribonucleico;
consta de 124 eslabones que se repiten, conformados por 17 aminoácidos
diferentes. Su fórmula química es C 575 H 901 O 193 N 171 S 12, su masa
molecular relativa es de 13.682. Los polímeros son sustancias conformadas por
macromoléculas.
Desde hacía un tiempo se denominaron a cierto grupo de moléculas los coloides,
en una época que no se conocía la existencia de la macromolécula, los coloides
tenían una apariencia gelatinosa adhesiva, con una velocidad de difusión pequeña
sin atravesar las membranas, lo cual sucede lo contrario por ejemplo con la sal
común que se difunden muy bien y pasa a través de las membranas, estas
sustancias fueron llamadas cristaloides por su buena conformación estructural. En
lo sucesivo fue descubierto que en condiciones determinadas los cristaloides
podían adquirir un “estado coloidal”, si se lograba unir sus moléculas en grupos y
con una masa relativa baja. La agregación de las moléculas de los cristaloides que
conducen a la aparición de las propiedades coloidales de sus moléculas, es por lo
general una manifestación de las fuerzas de la valencia secundaria y el enlace de
los átomos en las macromoléculas es covalente.
MACROMOLÉCULAS NATURALES
CARBOHIDRATOS
Los glúcidos, carbohidratos o sacáridos (del griego σάκχαρον que significa
“azúcar”) son una clase de biomoléculas. Son la forma biológica primaria de
almacenamiento y consumo de energía. Otras formas son las grasas y, en menor
medida, las proteínas.
El término hidrato de carbono o carbohidrato es poco apropiado, ya que estas
moléculas no son átomos de carbono hidratados, es decir, enlazados a moléculas
de agua, sino de átomos de carbono unidos a otros grupos funcionales químicos.
Este nombre proviene de la nomenclatura química del siglo XIX, ya que las
primeras sustancias aisladas respondían a la fórmula elemental Cn(H2O)n (donde
“n” es un entero=1,2,3… según el número de átomos). De aquí el término
“carbono-hidratado” se haya mantenido, si bien posteriormente se vio que otras
moléculas con las mismas características químicas no se corresponden con esta
255
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fórmula. Además, los textos científicos anglosajones aún insisten en denominarlos
carbohydrates lo que induce a pensar que este es su nombre correcto. Del mismo
modo, en dietética, se usa con más frecuencia la denominación de carbohidratos.
Glúcidos: este nombre proviene de considerarse derivados de la glucosa por
polimerización y pérdida de agua. El vocablo procede del griego “glycýs”, que
significa dulce. Azúcares: este término sólo puede usarse para los monosacáridos
(aldosas y cetosas) y los oligosacáridos inferiores (disacáridos). En singular
(azúcar) se utiliza para referirse a la sacarosa o azúcar de mesa.
Los glúcidos son compuestos formados en su mayor parte por átomos de carbono
e hidrógeno y en una menor cantidad de oxígeno. Los glúcidos tienen enlaces
químicos difíciles de romper llamados covalentes, mismos que poseen gran
cantidad de energía, que es liberada al romperse estos enlaces. Una parte de esta
energía es aprovechada por el organismo consumidor, y otra parte es almacenada
en el organismo.
En la naturaleza se encuentran en los seres vivos, formando parte de
biomoléculas aisladas o asociadas a otras como las proteínas y los lípidos.
LIPIDOS
Los lípidos son un conjunto de moléculas orgánicas, la mayoría biomoléculas,
compuestas principalmente por carbono e hidrógeno y en menor medida oxígeno,
aunque también pueden contener fósforo, azufre y nitrógeno, que tienen como
característica principal el ser hidrofóbicas o insolubles en agua y sí en disolventes
orgánicos como la bencina, el alcohol, el benceno y el cloroformo. En el uso
coloquial, a los lípidos se les llama vulgar e incorrectamente grasas, aunque las
grasas son sólo un tipo de lípidos procedentes de animales. Los lípidos cumplen
funciones diversas en los organismos vivientes, entre ellas la de reserva
256
Química I
energética (triglicéridos), la estructural (fosfolípidos de las bicapas) y la reguladora
(esteroides).
Características generales: los lípidos son biomoléculas muy diversas; unos están
formados por cadenas alifáticas saturadas o insaturadas, en general lineales, pero
algunos tienen anillos (aromáticos). Algunos son flexibles, mientras que otros son
rígidos o semiflexibles hasta alcanzar casi una total flexibilidad molecular; algunos
comparten carbonos libres y otros forman puentes de hidrógeno.
La mayoría de los lípidos tiene algún tipo de carácter polar, además de poseer una
gran parte apolar o hidrofóbico (“que le teme al agua” o “rechaza al agua”), lo que
significa que no interactúa bien con solventes polares como el agua. Otra parte de
su estructura es polar o hidrofílica (“que ama el agua” o “que tiene afinidad por el
agua”) y tenderá a asociarse con solventes polares como el agua; cuando una
molécula tiene una región hidrófoba y otra hidrófila se dice que tiene carácter
anfipático. La región hidrófoba de los lípidos es la que presenta solo átomos de
carbono unidos a átomos de hidrógeno, como la larga “cola” alifática de los ácidos
grasos o los anillos de esterano del colesterol; la región hidrófila es la que posee
grupos polares o con cargas eléctricas, como el hidroxilo (–OH) del colesterol, el
carboxilo (–COO–) de los ácidos grasos, el fosfato (–PO4–) de los fosfolípidos,
etc.
257
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PROTEINAS
Las proteínas son macromoléculas formadas por cadenas lineales de
aminoácidos. El nombre proteína proviene de la palabra griega πρώτα (“prota”),
que significa “lo primero” o del dios proteo, por la cantidad de formas que pueden
tomar.
Las proteínas desempeñan un papel fundamental en los seres vivos y son las
biomoléculas más versátiles y más diversas. Realizan una enorme cantidad de
funciones diferentes, entre las que destacan la enzimática, hormonal,
transportadora (hemoglobina), defensiva (anticuerpos), estructural (colágeno), etc.
Las proteínas de todo ser vivo están determinadas genéticamente, es decir, la
información genética (genes) determinan qué proteínas tendrá un individuo.
Las proteínas son digeridas a través de la digestión que comienza en el estómago,
son digeridas en polipeptidos más pequeños, por las enzimas conocidas como
proteasas, para proveer de aminoácidos al organismo, incluyendo los aminoácidos
esenciales que el organismo no puede sintetizar. Además de su rol en la síntesis
de proteínas, los aminoácidos también son una importante fuente nutricional del
nitrógeno. Las proteínas, como los carbohidratos, contienen 4 kcal por gramo
opuesto a los lípidos los cuales contienen nueve kilocalorías y los alcoholes los
cuales contienen 7 kcal. Las proteínas pueden ser convertidas en carbohidratos a
través de un proceso llamado gluconeogénesis.
Las fuentes dietéticas de proteínas incluyen carne, huevos, granos, legumbres y
productos lácteos tales como leche y queso. Las fuentes animales de proteínas
poseen los 20 aminoácidos. Las fuentes vegetales son deficientes en aminoácidos
y se dice que sus proteínas son incompletas. Por ejemplo, la mayoría de las
legumbres típicamente carecen de cuatro aminoácidos incluyendo el aminoácido
esencial metionina, mientras los granos carecen de todos, tres o cuatro
aminoácidos incluyendo el aminoácido esencial lisina.
Exceso de consumo de proteínas, como el organismo es incapaz de almacenar las
proteínas, el exceso de proteínas es digerido y convertido en azúcares o ácidos
grasos. El hígado remueve el nitrógeno de los aminoácidos, una manera de que
éstos pueden ser consumidos como combustible, y el nitrógeno es incorporado en
258
Química I
la urea, la sustancia que es excretada por los riñones. Estos órganos normalmente
pueden lidiar con cualquier sobrecarga adicional pero si existe enfermedad renal,
una disminución en la proteína frecuentemente será prescrita.
El exceso en el consumo de proteínas también puede causar la pérdida de calcio
corporal, lo cual puede conducir a pérdida de masa ósea a largo plazo. Sin
embargo, varios suplementos proteicos vienen suplementados con diferentes
cantidades de calcio por ración, de manera que pueden contrarrestar el efecto de
la pérdida de calcio.
Las proteínas son frecuentemente causa de alergias y reacciones alérgicas a
ciertos alimentos. Esto ocurre porque la estructura de cada forma de proteína es
ligeramente diferente, algunas pueden desencadenar una respuesta a partir del
sistema inmune mientras otros permanecen perfectamente seguros. Muchas
personas son alérgicas a la caseína, la proteína en la leche; al gluten, la proteína
en el trigo y otros granos; a la proteína particular encontrada en el maní; o
aquellas encontradas en mariscos y otras comidas marinas. Es extremadamente
inusual que una misma persona reaccione adversamente a más de dos tipos
diferentes de proteínas, debido a la diversidad entre tipos de proteínas o
aminoácidos.
AMINOACIDOS
Todos los aminoácidos componentes de las proteínas son alfa-aminoácidos. Por lo
tanto, están formados por un carbono alfa unido a un grupo carboxilo, a un grupo
amino, a un hidrógeno y a una cadena (habitualmente denominada Radical) de
estructura variable, que determina la identidad y las propiedades de los diferentes
aminoácidos; existen cientos de cadenas R por lo que se conocen cientos de
259
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
aminoácidos diferentes, pero sólo 20 forman parte de las proteínas y tienen
codones específicos en el código genético.La unión de varios aminoácidos da
lugar a cadenas llamadas polipéptidos o simplemente péptidos, que se denominan
proteínas cuando la cadena polipeptídica supera los 50 aminoácidos o la masa
molecular total
supera las 5.000
uma.
AMINA
ACIDO CARBOXILO
INVESTIGA LAS SIGUIENTES PREGUNTAS PARA FORTALECER TUS
CONOCIMIENTOS RELACIONADOS A LO ANTES VISTO:
¿Cómo son catalizadas las reacciones biológicas por las proteínas?
¿De qué manera la estructura del DNA nos ayuda a entender el mecanismo de
codificación de la información genética?
¿Cómo almacenan los organismos energía a través de polisacáridos y lípidos?
¿Por cuales otros nombres se le conocen a los carbohidratos?
Los lípidos o grasas ¿En qué son insolubles y solubles?
¿Qué son los lípidos?
¿De qué está formada la mayor parte de la estructura de los lípidos?
260
Química I
MACROMOLÉCULAS SINTÉTICAS
Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la
unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.
Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de
moléculas que le confieren un alto peso molecular que es una característica
representativa de esta familia de compuestos orgánicos. Posteriormente
observaremos las reacciones que dan lugar a esta serie de sustancias, no dejando
de lado que las reacciones que se llevan a cabo en la polimerización son aquellas
que son fundamentales para la obtención de cualquier compuesto orgánico. El
almidón, la celulosa, la seda y el ADN son ejemplos de polímeros naturales, entre
los más comunes de estos y entre los polímeros sintéticos encontramos el nailon,
el polietileno y la baquelita.
POLIMERIZACIÓN
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se
denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción
de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como
"polimerización por pasos" o como "polimerización en cadena". En cualquier caso,
el tamaño de la cadena dependerá de parámetros como la temperatura o el tiempo
de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa
molecular distinta, de ahí que se hable de masa promedio del polímero.
Tipos de polimerización
Existen dos tipos fundamentales de polimerización:
x
Polimerización por condensación.
En cada unión de dos monómeros se pierde una molécula pequeña, por ejemplo
agua. Debido a esto, la masa molecular del polímero no es necesariamente un
múltiplo exacto de la masa molecular del monómero. Los polímeros de
condensación se dividen en dos grupos:
Los Homopolímeros.
Polietilenglicol
Siliconas
261
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Los Copolímeros.
Baquelitas.
Poliésteres.
Poliamidas.
La polimerización en etapas (condensación) necesita al menos monómeros
bifuncionales. Deben de saber que los polímeros pueden ser maquinables.
Ejemplo: HOOC--R1--NH2
Si reacciona consigo mismo, entonces:
2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC-R1-NH--CO--R1--NH2 + H2O
x
Polimerización por adición.
En este tipo de polimerización a masa molecular del polímero es un múltiplo
exacto de la masa molecular del monómero.
Suelen seguir un mecanismo en tres fases, con ruptura hemolítica:
x Iniciación: CH2=CHCl + catalizador ֜ •CH2–CHCl•
x Propagación o crecimiento: 2 •CH2–CHCl• ֜ •CH2–CHCl–CH2–
CHCl•
x Terminación: Los radicales libres de los extremos se unen a
impurezas o bien se unen dos cadenas con un terminal neutralizado.
Tacticidad de poliestireno, atáctico, sindiotáctico, isotáctico.
262
Química I
Polimerización del estireno para dar poliestireno
n indica el grado de polimerización
Por otra parte, los polímeros pueden ser lineales, formados por una única cadena
de monómeros, o bien esta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o
menor tamaño. También se pueden formar entrecruzamientos provocados por el
enlace entre átomos de distintas cadenas.
La naturaleza química de los monómeros, su masa molecular y otras propiedades
físicas, así como la estructura que presentan, determinan diferentes
características para cada polímero. Por ejemplo, si un polímero presenta
entrecruzamiento, el material será más difícil de fundir que si no presentara
ninguno.
Los enlaces de carbono en los polímeros no son equivalentes entre sí, por eso
dependiendo del orden estereoquímico de los enlaces, un polímero puede ser:
atáctico (sin orden), isostático (mismo orden), o sindiotáctico (orden alternante) a
esta conformación se la llama tacticidad. Las propiedades de un polímero pueden
verse modificadas severamente dependiendo de su estereoquímica.
En el caso de que el polímero provenga de un único tipo de monómero se
denomina homopolímero y si proviene de varios monómeros se llama copolímero
o heteropolímero. Por ejemplo, el poliestireno es un homopolímero, pues proviene
de un único tipo de monómero, el estireno, mientras que si se parte de estireno y
acrilonitrilo se puede obtener un copolímero de estos dos monómeros.
En los heteropolímeros los monómeros pueden distribuirse de diferentes maneras,
particularmente para polímeros naturales, los monómeros pueden repetirse de
forma aleatoria, informativa (como en los polipéptidos de las proteínas o en los
polinucleótidos de los ácidos nucleicos) o periódica, como en el peptidoglucano o
en algunos polisacáridos.
263
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
Los monómeros que conforman la cadena de un copolímero se pueden ubicar en
la cadena principal alternándose según diversos patrones, denominándose
copolímero alternante, copolímero en bloque, copolímero aleatorio, copolímero de
injerto. Para lograr este diseño, la reacción de polimerización y los catalizadores
deben ser los adecuados.
a) Homopolímero b) Copolímero alternante
c) Copolímero en bloque d) Copolímero aleatorio
e) Copolímero de injerto
Finalmente, los extremos de los polímeros pueden ser distintos que el resto de la
cadena polimérica, sin embargo es mucho más importante el resto de la cadena
que estos extremos debido a que la cadena es de una gran extensión comparada
con los extremos.
Realiza los siguientes ejercicios:
1. Calcula la masa molecular del PVC suponiendo que la cadena está formada
por 5000 unidades del monómero. Indica si se trata de un polímero de
adición o de condensación, y si es homopolímero o copolímero.
2. Escribe el polímero de condensación formado a partir de 1,3propanodiamina y el ácido butanodioico.
3. Calcula el número de unidades de monómero tiene una molécula de
polibutadieno si su masa molecular media es 10260 u. Escribe la reacción
de polimerización.
264
Química I
4. Formula el polímero de adición que se obtiene a partir del 2metilpropenoato de metilo.
5. Calcula la masa de glicerina necesaria para esterificar completamente 1 Kg
de de ácido palmítico [ CH3-(CH2)14 -COOH] .
6. Si la masa de una molécula de poliestireno es de 80000 u ¿cuántas
macromoléculas de poliestireno hay en 1 g de polímero?
7. Formula los siguientes monómeros : 2,3-dimetilbutadieno, 2-cloro-1,3butadieno, fenileteno (estireno).
8. Calcula el número de unidades de tetrafluoroeteno que hay en una muestra
de teflón si su masa molecular aproximada es de 12700 u.
9. Escribe el polímero que se obtendría a través de un mecanismo
polimerización de adición del 2-cloro-1-propeno.
10. Describe los dos mecanismos básicos en la síntesis de polímeros
artificiales.
11. ¿Qué diferencia hay entre un polímero termoplástico y otro termoestable?
265
BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
BIBLIOGRAFÍA
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Química I
Páginas consultadas:
http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADntesis_qu%C3%ADmica
http://www.aecq.es/esp/quimica_vida.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_anal%C3%ADtica
http://es.wikipedia.org/wiki/Mol
http://www.santillana.com.mx/libros/pdf/9789702908852.pdf
http://www.santillana.com.mx/libros/pdf/9789702912644.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Macromol%C3%A9cula
http://es.wikipedia.org/wiki/Carbohidrato
http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADpido
http://es.wikipedia.org/wiki/Prote%C3%ADna
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BEA. Bachillerato de Educación para Adultos
MATERIAL DE TRABAJO RECOLECTADO Y REALIZADO POR:
LIE. PERLA YANET MANZO HERNÁNDEZ
DR. ROBERTO RODRIGUEZ NAVA
PROF. ISMAEL SÁNCHEZ CAMPOS
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