Quimica Page 1 Pérez • Garduño • Rodríguez Esta nueva serie editorial de Pearson Educación está hecha para cubrir el mapa curricular de la Dirección General de Bachillerato de la Secretaría de Educación Pública. En cada uno de los títulos que la conforman, sus autores han desarrollado los contenidos con estricto apego a la metodología constructivista requerida por los programas educativos, de ahí que en sus páginas el lector pondrá en práctica sus saberes, habilidades y valores de manera sistemática y dirigida al desarrollo de competencias específicas. Este texto ha sido escrito con la idea de acercar al alumno al mundo de la química de una manera clara y accesible. Presenta una sólida estructura didáctica con los siguientes apartados: • Piensa y explica: Plantea preguntas, problemas o ejercicios que el alumno podrá resolver fácilmente y que, a su vez, refuerzan las habilidades adquiridas en el tema. • ¡Qué no te cuenten!: Es un acercamiento a la relación innegable que existe entre ciencia, arte, historia y cultura en general. • Haciendo ConCiencia: Esta sección llevará al alumno por el camino de la investigación. • Conexión al mundo: Muestra la relación de la ciencia con lo cotidiano. • Resumen: Cada unidad termina con un resumen en forma de cuadro sinóptico, de esquema, de lista o de mapa conceptual. • Evalúate y aplica tus conocimientos: Será tan fácil el trayecto por el libro que, al final, el alumno se asombrará de todo lo que habrá aprendido. Visítenos en: www.pearsoneducacion.net Gabriela Pérez Aguirre Gustavo Garduño Sánchez Carlos Dayán Rodríguez Torres Preliminares.indd ii 6/29/06 10:21:56 PM Química I Un enfoque constructivista Preliminares.indd i 6/29/06 10:21:55 PM Preliminares.indd ii 6/29/06 10:21:56 PM Química I Preliminares.indd iii 6/29/06 10:21:58 PM EZ AGUIRRE, GABRIELA; y cols. Química I Un enfoque constructivista PEARSON EDUCACIÓN, México, 2007 ISBN 970-26-0742-6 Formato: 21 ⫻ 27 cm Editor: Editor de desarrollo: Supervisor de Producción: Páginas: 312 Enrique Quintanar Duarte e-mail: [email protected] Felipe Hernández Carrasco Rodrigo Romero Villalobos PRIMERA EDICIÓN, 2007 D.R. © 2007 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco No. 500 – 5° piso Col. Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031 Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 970-26-0742-6 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 09 08 07 ® Preliminares.indd iv 6/29/06 10:22:01 PM “A mis padres y a Balin” Dayan Rodríguez Agradecimiento A Luis Ortiz y Guadalupe Osorio por su participación y aportación de ideas. Preliminares.indd v 6/29/06 10:22:01 PM Preliminares.indd vi 6/29/06 10:22:01 PM Contenido UNIDAD 1 Objeto de estudio de la química 1 La química y su relación con otras ciencias 8 La materia y sus manifestaciones Energía 2 30 Cambio físico, químico y nuclear 44 UNIDAD 2 Estructura atómica y tabla periódica 53 La naturaleza de la materia 54 En las entrañas del átomo Modelo atómico actual La tabla periódica 70 86 104 UNIDAD 3 Enlace químico: modelos de enlaces e interacciones intermoleculares 121 La unión hace la fuerza: el concepto de enlace El modelo de enlace iónico 130 El modelo de enlace covalente El enlace metálico 122 142 156 Fuerzas intermoleculares: dipolos y puentes de hidrógeno Los nuevos materiales 162 178 UNIDAD 4 Reacción química 191 El lenguaje de la química 192 Ecuaciones y tipos de reacción química 228 Balanceo de ecuaciones y reacciones de óxido reducción Energía en las reacciones químicas Rapidez de reacción Desarrollo sustentable 258 272 286 APÉNDICE Vectores en el plano Preliminares.indd vii 236 293 6/29/06 10:22:01 PM Preliminares.indd viii 6/29/06 10:22:02 PM Presentación ¿Sabías que la esperanza de vida durante el imperio romano era de tan sólo 25 años? ¿Cuántos años tienes tú? A lo largo de la historia, el hombre ha luchado por sobrevivir y mejorar su calidad de vida. Podríamos decir que hay que estudiar química porque gracias a ella tenemos medicinas, antibióticos, automóviles o telecomunicaciones. Que la química está en todas partes y que por eso debe interesarnos. Lo que te diremos, sin embargo, es quizá más honesto. A nosotros nos apasiona la química, y como todo lo que provoca pasión, hace que queramos compartir nuestra visión de ella. ¿No te ha pasado que un amigo llega a tu casa diciendo que no le gusta la música de tal o cual grupo y de manera automática sacas tus discos y le dices frases como: “seguro es que no has oído esta canción” o, ¿qué tal cuando alguien critica a tu equipo de fútbol o a tu escritor favorito? Si no fuera tan gratificante compartir con los demás lo que nos apasiona, seguramente los estadios de fútbol estarían vacíos, nadie iría a conciertos y no habría best seller. Afortunadamente, esa tendencia natural a compartir lo que nos gusta existe. Gracias a eso (y a tu programa escolar, claro) podemos escribir este libro en complicidad con nuestros editores y todos los que trabajaron en esta obra. Para nosotros en un primer nivel, la química, como todas las ciencias, es una especie de juego de acertijos y problemas de ingenio. Para demostrártelo, este libro está diseñado bajo el enfoque constructivista, que de manera muy simple, pretende que seas tú quien se plantee, pruebe y perfeccione las estrategias necesarias para resolver problemas. Cada unidad comienza con el índice de temas que incluye el capítulo. En Lo que vamos a estudiar podrás ver cómo están organizados los contenidos; para calentar motores, te proponemos ¡Activa tus ideas! que te lanza preguntas simples relacionadas con los temas. Si no puedes responderlas, no te preocupes; te garantizamos que tras haber concluido la unidad tendrás los elementos para regresar a ellas y contestarlas con la mano en la cintura. Además de ejemplos y ejercicios resueltos, en cada unidad encontrarás de manera repetida, recuadros que resaltan definiciones o términos importantes que te facilitan su localización. El recuerda que, se refiere a conceptos de otras áreas, cursos o temas que te serán útiles en el estudio del tema en el que se incluyen. Cada uno de los siguientes apartados de tu libro se pensó con características y objetivos específicos: Piensa y explica: Te plantea preguntas, problemas o ejercicios que podrás resolver fácilmente, pero que refuerzan las habilidades adquiridas en el tema. ¡Qué no te cuenten!: Es un acercamiento a la relación innegable entre ciencia, arte, historia y cultura en general. Haciendo ConCiencia: Esta sección te llevará por el camino de la investigación, demostrándote que aunque no quieras, llevas, como todos, a un científico por dentro. ix Preliminares.indd ix 6/29/06 10:22:02 PM Conexión al mundo: Qué la química está en todas partes no es un mito. Para demostrártelo, te conectamos los dos mundos, el de la ciencia, y el de la cotidianeidad. Ojalá que al final concluyas que esos dos mundos, son el mismo. Resumen: Cada unidad termina con un resumen, que puedes encontrar en forma de cuadro sinóptico, de esquema, de lista o mapa conceptual. Evalúate y aplica tus conocimientos: Será tan fácil el trayecto por el libro que al final no podrás creer todo lo que has aprendido. Por eso, será necesario que te pongas a prueba con nuestra última sección. ¡Buena suerte! Esperamos que este libro te guste, te ayude y sea una herramienta en la construcción de tu conocimiento científico. Esperamos también que compartas con nosotros lo que te guste y lo que no te guste. ¿Te animas a seguir leyendo? Los autores Gabriela Pérez [email protected] Carlos Dayan Rodríguez [email protected] Gustavo Garduño Preliminares.indd x 6/29/06 10:22:02 PM Conoce tu libro Es importante que antes de iniciar tu trabajo con este libro te familiarices con algunas imágenes que te acompañarán durante todo el proceso. Son varios iconos que encontrarás al margen; cada uno representa un momento específico del desarrollo de un tema. En seguida te los presentamos; obsérvalos y lee su información Reactivación de conocimientos previos Representa el primer paso del método, en el que recordarás los conocimientos que ya posees sobre un tema, lo que te ayudará a vincular esta información con los nuevos conocimientos que vas a adquirir. Situación problemática Indica el segundo paso, en el cual se te dará la oportunidad de resolver un problema relativamente sencillo mediante el apoyo de tu profesor(a). xi Preliminares.indd xi 6/29/06 10:22:03 PM Aplicación de los conocimientos Es representativo del tercer paso, muestra la manera de poner en práctica y de forma sistemática la solución de problemas relacionados con el tema, proceso que te llevará a automatizar la práctica del procedimiento o habilidad. Conclusión Se refiere al cuarto y último paso del proceso, durante el cual tendrás la oportunidad de extraer tus propias conclusiones acerca del conocimiento adquirido de cada tema, momento que te facilitará, en determinadas circunstancias, la toma de tus propias decisiones. Preliminares.indd xii 6/29/06 10:22:05 PM E0319/Unidad 1.indd 1 6/29/06 10:48:35 PM La química y su relación con otras ciencias Lo que vamos a estudiar 1.1 La química es una ciencia interdisciplinaria 1.1.1 Relación con otras ciencias E0319/Unidad 1.indd 2 6/29/06 10:48:42 PM ¡Activa tus ideas! La Tierra parece plana na cuando miramos el horizon onte. ¿Cómo sabremos si la ob observación es realmente una herramienta? Las civilizaciones a as atribuían a seres diviinos todas las manifestacion nes de la naturaleza. ¿Qué ex explicación tienes ahora para ra este tipo de fenómenos? E0319/Unidad 1.indd 3 6/29/06 10:48:46 PM 1.1 La química es una ciencia interdisciplinaria Cuando parece que nos equivocamos de libro… El principal proyecto de Newton es el fundamento de la química actual Laboratorio alquimista La química es la ciencia que estudia la materia, los cambios que ésta experimenta y la energía implicada en estos procesos. E0319/Unidad 1.indd 4 Imagina que cierta madrugada, en una oscura calle londinense, se intercambian manuscritos de forma clandestina. Estos documentos no contienen secretos de Estado, sino estudios alquímicos. Antes de que la prohibición de la alquimia fuera cancelada, esa era la única forma que muchos científicos tenían para transmitir sus descubrimientos e ideas sobre esta disciplina. Para no ser descubiertos usaban claves y seudónimos, algunos muy simples, como el de Robert Boyle (RB), y otros más elaborados, como aquel que escribió su nombre en latín y después lo transformó en un anagrama para obtener su seudónimo: Ieova Sanctus Unus. Si eres un gran conocedor del latín, seguramente sabes ya de quién se trata. Este científico publicó en 1687 su obra magna: “Philosophiae Naturalis l Principia Mathematica”, en la que consiguió unificar la física terrestre con la física celeste, hasta entonces separadas; asimismo, abrió un amplio conjunto de líneas de investigación, presididas por lo que acabaría denominándose programa de Newton. ¡Sí, estamos hablando de Isaac Newton! El objetivo de este proyecto no era otro que investigar el carácter de las distintas fuerzas de la naturaleza a partir de sus manifestaciones; dicho en otros términos, obtener la expresión matemática de estas fuerzas mediante una estrategia similar a la que utilizó el científico inglés para deducir la ley de gravitación universal —la fuerza— apoyándose en las leyes de Kepler —los movimientos. Digámoslo de una manera más sencilla: Newton trataba de encontrar la causa de los fenómenos y la forma en que podría medirlos. Poco a poco, este programa permitió el desarrollo de los modelos atómicos, que son las bases de la química actual. Sabiéndolo o no, el hombre ha hecho química desde tiempos inmemoriales; aunque no siempre se le ha visto como una ciencia. Muchos fenómenos químicos son tan espectaculares que resulta fácil emparentarlos con la magia. ¿Cómo explicar fenómenos tan extraños como los cambios de colores o las ruidosas explosiones asociadas a la combustión de ciertas sustancias? ¿Cómo entender las propiedades curativas, enajenantes o mortíferas de ciertos brebajes? ¿Por qué no pensar, entonces, que la transmutación de las sustancias en oro o la fabricación de un elíxir que nos garantice la inmortalidad son posibles? Los orígenes de la química son muy antiguos y hoy es una ciencia que no se parece en nada a los procesos asociados con la magia y los demonios. Se ha desarrollado de tal forma que se ha convertido en una de las más valiosas herramientas que tenemos para enfrentar los retos del nuevo milenio. Actualmente, la química es una ciencia que estudia la materia, los cambios que ésta experimenta y la energía implicada en estos procesos. El estudio de la química comienza en el mundo macroscópico, el que tú y yo podemos observar cuando le ponemos atención a nuestro entorno. Para explicar los cambios macroscópicos, los científicos han desarrollado modelos que tienen su campo de acción en ese mundo. Los estudios de la química, la física, la biología y otras ciencias son inseparables. Cada disciplina necesita de las demás y el crecimiento de una permite el avance de otra. A este tipo de trabajo se le denomina interdisciplinario. 6/29/06 10:48:58 PM 1.1.1 Relación con otras ciencias ¿Heroína o villana? ¿En qué piensas cuándo escuchas las palabras química o producto químico? Por una parte, todos sabemos que los productos de la química han transformado nuestras vidas. Todos los días, millones de personas usan plásticos, colorantes, pinturas, cosméticos, aditivos alimenticios, etcétera. También es cierto que las expectativas de vida han aumentado gracias a las vacunas y los nuevos medicamentos. Sin embargo, de manera consciente o inconsciente la palabra “química” nos asusta. Para muchas personas, la química es sinónimo de contaminación, perjuicio o, en el mejor de los casos, de artificialidad. Seguramente has visto u oído muchos anuncios comerciales que promueven productos “100 % naturales”. A su vez, esa publicidad les atribuye a los productos químicos efectos dañinos, como si las sustancias naturales no tuvieran una composición química y como si todo lo natural fuera inofensivo. La química tiene esas dos caras y es importante conocerlas ambas, ya que el conocimiento es la única herramienta para obtener todos sus beneficios y aminorar sus posibles peligros. Haciendo ConCiencia Investiga si en tu comunidad hay algún problema en el que la química tenga alguna relación, ya sea como una de sus causas o como herramienta para solucionarlo. Prepara un reportaje con el resultado de tus investigaciones. E0319/Unidad 1.indd 5 6/29/06 11:04:16 PM El pasado y el futuro de la química Entre los grandes retos de la ciencia está el combate al hambre y a nuevas enfermedades Como ya dijimos, la química es una ciencia muy distinta de las prácticas de los alquimistas y seguramente tendrá poco que ver con lo que harán los químicos del siglo XXI. Los problemas graves que enfrentamos son innumerables, aunque la escasez de alimentos, la aparición de nuevas enfermedades, el agotamiento de las fuentes de energía convencionales y el deterioro del ambiente son las principales preocupaciones de la química actual. En esta labor, el desempeño inter y multidisciplinario es fundamental; esta ciencia tendrá que trabajar de manera directa con la biología y la física. Los avances en genómica permitirán el diseño de fármacos más específicos y efectivos. Podrán fabricarse productos personalizados, acordes con las características genéticas de cada persona. Enfermedades hoy sin cura como el SIDAA o el parkinson podrán ser prevenidas. Por otra parte, el estudio de las propiedades físicas de las sustancias en relación con su estructura atómica dará lugar al desarrollo de nuevos materiales y superconductores que, sin duda, revolucionarán áreas como la microelectrónica, la construcción y los sistemas de almacenamiento y distribución de energía. Genética iencias renses Medicin Biología Química Ecología Física Todas las ciencias están relacionadas. Los avances en una sirven como base para la construcción de nuevas teorías y descubrimientos en otras Conoce, piensa y actúa Los beneficios y avances en nuestra calidad de vida debidos a la química siempre tendrán un costo. El reto consiste en desarrollar procesos que maximicen los beneficios y reduzcan al mínimo las repercusiones en la salud y el ambiente. También se trata de que la población esté informada y educada para que pueda juzgar y tomar decisiones sobre los materiales y sustancias que usa; además, que tenga suficiente conocimiento sobre el manejo de los desechos que genera y sus consecuencias. Sólo las personas con estas características tendrán la posibilidad de evitar el empleo abusivo de la química que, a los ojos de muchos, la convierte en villana. Tú tienes ahora la oportunidad de conocer lo que hace la química, de identificar los aspectos en tu cotidianidad en los que está inmersa, y sobre todo, en los que puedes intervenir directamente para modificar lo que te rodea. E0319/Unidad 1.indd 6 6/29/06 11:04:22 PM Evalúate y aplica tus conocimientos Contesta las siguientes preguntas 1. ¿Qué diferencia hay entre la multidisciplina y la interdisciplina? 2. ¿Dirías que la química es una ciencia multidisciplinaria? ¿Por qué? 3. ¿Qué opinión general tienen de la química en tu comunidad? 4. ¿Cuáles son los principales retos para la química en el nuevo milenio? E0319/Unidad 1.indd 7 6/29/06 11:04:24 PM La materia y sus manifestaciones Lo que vamos a estudiar 1.2 Materia 1.2.1 Características y manifestaciones de la materia 1.2.2 Propiedades químicas y físicas 1.2.3 Propiedades extensivas e intensivas 1.2.3.1 Estados de agregación 1.2.4 E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:8 Cambios de estado 6/29/06 11:11:10 PM ¡Activa tus ideas! La frase “todo lo quee nos rodea”” es una de las defi d niciones clásicas de mate ateria. ¿En el espacio también én hay materia? Entonces,, ¿qu ¿qué es el vacío? Cuando enciendes un n foco de filamento de tungsteeno, además de la energía ía eléctrica, está involucrado ou un cambio de estado, ¿sabes abes cuál es? E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:9 6/29/06 11:11:20 PM 1.2 Materia El concepto de materia; un paseo por el tiempo Teoría de Empédocles sobre la materia El filósofo griego Empédocles de Aciagas (495–435 a. C.) afirmaba que la materia estaba compuesta por cuatro elementos; a saber: tierra, fuego, aire y agua. Esta teoría, basada en la filosofía de Parménides y Pitágoras, fue sostenida y apoyada por Aristóteles. Empédocles afirmaba que la materia dependía exclusivamente de la relación que había entre estos elementos. Una piedra, por ejemplo, existe debido a su relación única y exacta entre aire, fuego, tierra y agua. Alrededor del año 430 a.C. Empédocles de Agrigento afirmó que tales elementos eran cuatro: tierra, aire, agua y fuego. Un siglo más tarde, Aristóteles supuso que el cielo constituía un quinto elemento, llamado éter. Los griegos creían que las sustancias de la Tierra estaban formadas por las distintas combinaciones de estos elementos. Demócrito de Abdera aseguró que la materia estaba compuesta por partículas llamadas átomos (que significa no divisible). Y que algunas sustancias estaban compuestas por diversos átomos o combinaciones de éstos. También pensaba que una sustancia podía convertirse en otra al ordenar sus átomos de diferente manera. Los sucesores de los griegos en el estudio de las sustancias fueron los alquimistas medievales, quienes lograron conclusiones más razonables que los griegos, al conocer mejor los materiales sobre los que especulaban. Pero el avance científico fue limitado por el oscurantismo religioso que envolvía la época. En la época contemporánea, Lavoisier definió los elementos como sustancias que no pueden ser descompuestas por medios químicos. Durante el Renacimiento, todos los conocimientos químicos desarrollados en la Edad Media comenzaron a ser vistos desde una perspectiva más científica, formándose las bases sobre las cuales se apoyaría la química moderna. Surge también la teoría del flogisto por el químico G. E. Stahl (1670-1734) para explicar la combustión. En la actualidad, el auge experimentado por la teoría atómica gracias a las aportaciones de Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, Schrödinger, Einstein y muchos otros científicos, ha conducido a un conocimiento de la materia que era inimaginable hace apenas 200 años. La idea de la materia se ha transformado hasta llegar a los modelos atómicos actuales. Retomaremos este tema con mayor detalle en la segunda unidad. Por ahora comencemos por recordar la definición de materia que has visto en otros cursos, ¿la recuerdas? E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:10 6/29/06 11:11:34 PM La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio y tiene masa e inercia. La inercia es la propiedad de los cuerpos de permanecer en estado de reposo o movimiento hasta que una fuerza modifique ese estado. Observa a tu alrededor, ¿reconoces algún aroma? Trata de describirlo e investiga de dónde proviene. Ahora imagina que tienes un trozo de chocolate derritiéndose en tu boca. ¿Puedes describir tus sensaciones? ¿Cómo podrías describir un objeto que nunca has visto? Por ejemplo, supón que alguien te pide describir un “dan da”; imagina lo que podría ser, ¿cómo lo describirías? Lo primero que hacemos al describir es clasificar. Por ejemplo, decimos si es un objeto y su función; o un alimento, un atuendo tradicional de alguna región lejana, etcétera. Enseguida te dicen que un “dan da” son 18 piedras y que están acomodadas por tamaños. Ahora, imagina que están huecas. Un “dan da” es un instrumento musical muy antiguo de una provincia de Vietnam, parecido al que conocemos como marimba. ¿Te lo imaginabas? Este mismo problema lo tuvieron los primeros filósofos al intentar describir y clasificar la materia. Comenzaron por nombrar materia a todo aquello que tuviera un lugar en el espacio, pero muy pronto notaron la necesidad de establecer una clasificación que permitiera hablar sobre las propiedades y manifestaciones de lo que los rodeaba. Lo que llamamos ahora materia, es aquello que ocupa un lugar en el espacio y posee masa e inercia. La masa es la medida de la cantidad de materia de un cuerpo. La medición de esta propiedad se lleva a cabo mediante el uso de una balanza. La unidad de medida para la masa en el Sistema Internacional de medidas SII es el kilogramo (kg). Es común que se confundan los conceptos de masa y peso, sin embargo, son muy diferentes. Este último es una medida de la fuerza de atracción que ejerce un planeta, como la Tierra, sobre un objeto situado en él. La unidad de medida para el peso en el SI es el Newton (N) que equivale a kg/s2. La relación matemática entre masa (m) en kg y peso (W) en N está dada por la siguiente ecuación: W⫽g⫻m (2.1) Donde el valor de g es la aceleración de la gravedad. Ejemplo o Compara el peso de una sustancia cuya masa es de 10 kg en los siguientes ambientes. a) En la Tierra, g ⫽ 9.8 m/s2 b) En Marte, g ⫽ 3.7m/s2 c) En la Luna, g ⫽ 1.6 m/s2 d) En el espacio Solución: Como la cantidad de materia no cambia, la masa del objeto es la misma en todos los ambientes; el peso se modifica de acuerdo con la ecuación (2.1) a) Peso en la Tierra, W ⫽ 9.8 m/s2 ⫻ 10 kg ⫽ 98 kg m/s2 ⫽ 98 N Aunque la masa de un astronauta no cambia en el espacio, su peso se ve modificado por la fuerza de gravedad E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:11 b) Peso en Marte, W ⫽ 3.7 m/s2 ⫻ 10 kg ⫽ 37 kg m/s2 ⫽ 37 N c) Peso en la Luna, W ⫽ 1.6 m/s2 ⫻ 10 kg ⫽ 16 kg m/s2 ⫽ 16 N d) Peso en el espacio, W ⫽ 0 m/s2 ⫻ 10 kg ⫽ 0 kg m/s2 ⫽ 0 N 6/29/06 11:11:37 PM ¡Ahora tú! Explica por qué tu peso sería diferente si viajas a Marte o a la Luna y calcula tu peso en cada uno de sus ambientes, así como en el de la Tierra. Piensa y explica Como ya lo mencionamos, el instrumento de medición para la masa es la balanza. Para medir el peso de un cuerpo se utiliza una báscula. ¿Qué diferencia habrá entre el mecanismo de una balanza y una báscula? La unidad de medida en una balanza es el kilogramo (kg) La unidad de medida en una báscula es el kilogramo fuerza Las unidades de medida de un dinamómetro son dinas o bien, kilogramo fuerza 1.2.1 Características í y manifestaciones de la materia Compuestos, elementos y mezclas El nombre químico de la sal común es cloruro de sodio. Este compuesto lo conoces bien; es un sólido cristalino que usamos para darle sazón a los alimentos. Los elementos que lo componen son muy diferentes. El sodio es un metal blando que reacciona violentamente con el agua, y el cloro, un gas verde y venenoso. ¿Qué crees que tenga que pasar para que de estas dos sustancias obtengamos otra con características totalmente diferentes? ¿Se tratará de un fenómeno físico o químico? Los compuestos tienen propiedades únicas, diferentes de las características de los elementos que los forman E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:12 6/29/06 11:11:40 PM La materia puede clasificarse de acuerdo con su constitución química. Se denomina sustancia química a una porción de materia que se toma para estudiarla desde el punto de vista químico. Cuando en la naturaleza una sustancia está formada por un solo componente, se le denomina sustancia pura. Si esta sustancia tiene la particularidad de poder ser descompuesta por una transformación química en sustancias más simples, entonces la nombramos compuesto. Si estas sustancias más simples ya no se pueden transformar en algo más sencillo, se les conoce como elementos. Piensa y explica Usa tus conocimientos previos para completar la siguiente tabla Propiedades del compuesto Compuesto Propiedades de los elementos Agua El agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno; í ambos gases son incoloros. Azúcar El azúcar está compuesto por carbono, que en una de sus formas puede ser un sólido negro, y por hidrógeno y oxígeno. í Alcohol etílico El alcohol etílico se encuentra en las bebidas alcohólicas, y al igual que el azúcar, está formado por carbono, hidrógeno y oxígeno. í Vinagre El ácido acético, o vinagre, también contiene carbono, hidrógeno y oxígeno. í ¿Por qué crees que los mismos elementos, como el carbono, el hidrógeno y el oxígeno, pueden formar compuestos tan distintos como los que te presentamos en la tabla? E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:13 6/29/06 11:11:43 PM Mezclas homogéneas y heterogéneas Las sustancias que están formadas por la unión física de más de un componente se llaman mezclas. Éstas se clasifican en homogéneas y heterogéneas. ¿En qué piensas cuándo alguien te dice que los gustos musicales de tu grupo de amigos son homogéneos? ¿Y si te dicen que es heterogéneo? La diferencia entre ambas consiste en que en las mezclas homogéneas se observa uniformidad en todos sus puntos, es decir, que sus componentes no pueden distinguirse; y en el caso de las mezclas heterogéneas no hay uniformidad en todos sus puntos, lo cual permite que puedas distinguir a simple vista los componentes que la forman. Cuando en una sustancia puedes distinguir los componentes que la forman, se trata de una mezcla heterogénea Conexión al mundo ¿Sabías que el vidrio es una mezcla? El vidrio se hace en un reactor de fusión, en donde se calienta una mezcla que casi siempre consiste en arcillas y óxidos metálicos secos, pulverizados o granulados. La fusión es el proceso en donde un sólido cambia de estado de agregación pasando a líquido; en el horno se forma un líquido viscoso y la masa se hace transparente y homogénea a temperaturas mayores a 1000º C. Al sacarlo del reactor, el vidrio puede manipularse para darle forma. El vidrio es una mezcla homogénea Piensa y explica Clasifica los siguientes materiales como mezclas homogéneas o heterogéneas y explica tu respuesta. Acero: Agua de limón: Agua de tamarindo: Aire: Bronce: Soldadura: E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:14 6/29/06 11:11:44 PM Resumen Sustancia química ¿Una sola sustancia? Mezcla Sus componentes se separan usando métodos físicos ¿Se descompone en sustancias más simples, usando métodos químicos? ¿Es uniforme en todos sus puntos? 1.2.2 Propiedades químicas y físicas Una característica fundamental de la materia es que posee masa; la masa es atraída al centro de la Tierra por acción de la gravedad, a la fuerza resultante la llamamos peso. Para describir a la materia usamos sus propiedades. Las propiedades de una sustancia nos permiten, a través de la observación, reconocerla y distinguirla de otras. Las propiedades de la materia pueden ser divididas en químicas o físicas. Las propiedades químicas describen la forma en que puede cambiar o reaccionar una sustancia frente a otra para formar una sustancia nueva. Las propiedades químicas de la materia serán abordadas con mayor profundidad en la tercera Unidad; por ahora basta con mencionar algunos ejemplos: El flúor es el elemento más electronegativo. Los metales alcalinos reaccionan violentamente con el agua formando hidróxidos. Los metales reaccionan con el oxígeno formando óxidos. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:15 Propiedades químicas “describen la reactividad de una especie química”. El hidrógeno reacciona con oxígeno en presencia de una chispa para formar agua. Los gases nobles son los elementos menos reactivos de la tabla periódica. 6/29/06 11:11:46 PM Las propiedades físicas son aquellas que cuando se miden no hay cambio en su composición; es decir, la sustancia no sufre prácticamente ninguna alteración. Las propiedades físicas más evidentes son las que detectamos a través de los sentidos. Como ejemplos: olor Estado de agregaci Propiedades físicas “describen a una sustancia sin sufrir alteración”. r Textu Sabor Otras propiedades no tan simples que también pueden ser apreciadas por los sentidos son la dureza, la ductilidad y la maleabilidad. Algunos metales son más dúctiles y maleables que otros; esto se aprovecha para fabricar artículos diversos con ellos E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:16 6/29/06 11:11:49 PM Muchas otras propiedades físicas pueden ser medidas con precisión en el laboratorio, nos referimos a la solubilidad, la densidad, el punto de ebullición y el punto de fusión. Los valores obtenidos de estas mediciones nos pueden servir, como ya lo mencionamos, para distinguir una sustancia específica. El agua y el aceite son inmiscibles porque tienen diferente densidad 1.2.3 Propiedades extensivas e intensivas Imagina que tienes una jarra —a la que llamaremos recipiente (A)— con un litro de agua y que le mides la temperatura. Después divides este litro de agua y lo vacías en tres diferentes depósitos: uno con 500 ml (B), otra con 350 ml (C) y el último con 150 ml (D). ¿Cambiará la temperatura del agua en los recipientes B, C y D? Si el recipiente D tiene la menor cantidad de agua, ¿será el que tendrá menor temperatura? ¿Por qué? ¿Qué propiedades del agua han cambiado del recipiente original a los otros tres? ¿Qué propiedades no han cambiado? Una manera de clasificar las diferentes propiedades de una sustancia es averiguar si el tamaño de la muestra afectaría a dicha propiedad en particular. Las propiedades que no dependen del volumen de la sustancia se llaman propiedades intensivas. El punto de congelación y el brillo son propiedades intensivas de la materia E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:17 6/29/06 11:11:55 PM Algunas de las propiedades intensivas son: • La densidad. Es la proporción de la masa de un objeto a su volumen (masa/volumen). • El punto de congelación. Es la temperatura a la que una sustancia cambia del estado líquido al sólido. • El punto de ebullición. Es similar al punto de congelación, ya que es la temperatura en la que ocurre el cambio de estado de líquido a gaseoso. • La reactividad. Es la capacidad de una sustancia para producir una reacción química. La reactividad es una propiedad intensiva • La maleabilidad. Es la capacidad de un material para deformarse antes de fracturarse. • La conductividad. Es la capacidad de una sustancia para permitir el flujo de la electricidad. • Otras propiedades son el color, r el brillo y el olor. r Las propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de sustancia. Por ejemplo, el volumen es una propiedad extensiva, ya que una pequeña muestra de carbón ocupa un área y un volumen menor que una muestra más grande. Algunos ejemplos de propiedades extensivas son: • El volumen: Es el espacio tridimensional que ocupa una sustancia. • La masa: la cantidad de materia de un objeto. • El peso: la medida de la fuerza de gravedad con que la Tierra atrae a un objeto. Las propiedades extensivas, como el volumen, dependen de la cantidad de la materia • La longitud: la distancia entre dos puntos. Si la masa y el volumen son propiedades extensivas, ¿por qué la densidad es una propiedad intensiva? Recuerda que: Densidad ⫽ Masa Volumen Para explicar esto, piensa en un cubo como el que se muestra en la figura, cuya masa sea de 1 gramo y su volumen de 1 cm3. De esta forma su densidad es 1 g / cm3. 1 gramo 1 cm3 E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:18 6/29/06 11:11:57 PM Si se toma la mitad del cubo del ejemplo anterior, ¿cambiará la densidad? ¿Por qué? 0.5 gramos 0.5 cm3 Ahora se tiene la mitad del cubo original; pesa la mitad y ocupa la mitad del volumen original. El valor de la densidad de este nuevo cubo es igual a la del cubo original (1 g / cm3). La densidad es independiente del tamaño o cantidad de sustancia. De este resultado se puede deducir que al dividir dos propiedades extensivas entre sí se obtendrá una propiedad intensiva. 1.2.3.1 Estados de agregación de la materia Piensa y explica Usa tus conocimientos sobre tu entorno para responder las siguientes preguntas. 1. ¿Cómo sabes en qué estado de agregación está la materia? 2. ¿Qué necesitas para cambiar el estado de agregación de la materia? 3. Observa los siguientes intervalos de densidades para gases, líquidos y sólidos: Gases 0.0001 g/ml Líquidos 0.5-3 g/ml Sólidos 0.5-20 g/ml Con ayuda de estos datos indica en qué estado de agregación son mayores las distancias intermoleculares. ¿Cómo lo sabes? La materia existe en tres estados característicos. Estos estados de agregación son: sólido, líquido y gaseoso, y describen la condición física en que se encuentra la materia. Al cambiar la energía del sistema, los elementos y los compuestos pueden cambiar el estado de agregación en que estén. El estado físico está determinado por dos factores: qué tan cerca se hallan las moléculas y qué tan rápido se mueven. La distancia intermolecular depende de la presión, mientras que la velocidad promedio de las moléculas depende de la temperatura. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:19 6/29/06 11:11:59 PM Document1 6/29/06 11:46 PM Page 20 Sólidos Los sólidos tienen una forma y volumen definidos. Normalmente son rígidos, ya que sus moléculas se encuentran unidas unas con otras. A mayor unión, mayor rigidez del sólido. A B La figura A representa un sólido y los círculos, a los átomos que lo componen. La figura B representa la estructura del agua en estado sólido. Nota que hay espacio vacío entre las moléculas En este estado de la materia, los átomos tienen un orden espacial fijo y sólo dentro de este espacio pueden moverse con cierta libertad, la cual está dada por el grado de empaquetamiento. A este movimiento se le conoce como vibración. Líquidos La energía cinética es aquella implicada en el movimiento de un cuerpo. La principal característica de los líquidos es que su forma está determinada por el recipiente que los contiene. Los líquidos pueden fluir, derramarse o escurrir debido a que las moléculas no tienen una posición espacial tan fija como en los sólidos. Aquí, como las moléculas del material líquido tienen suficiente energía cinética y se mueven mas rápido, pueden romper la restricción de una estructura definida. La energía cinética sobrepasa la fuerza de atracción molecular; ésta es lo suficientemente fuerte como para mantener al material líquido unido, pero no para darle una forma o estructura definida. Los líquidos también tienen otras características especiales, como la viscosidad y la tensión superficial. Cuando un líquido fluye, éste presenta una resistencia interna al movimiento; a este fenómeno se le conoce como viscosidad del líquido. Por ejemplo, si comparas el flujo de la miel con el del agua, puedes ver que el agua fluye con mayor facilidad de un recipiente a otro; por lo tanto, la miel tiene mayor viscosidad. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:20 6/29/06 11:12:01 PM Haciendo ConCiencia 1) Coloca en una probeta las siguientes sustancias. a) b) c) d) cajeta miel aceite agua Ordena las sustancias en orden creciente de densidad 2) Coloca una gota de cada sustancia en una regla y toma el tiempo que tarda en fluir 5 cm al colocar la regla en posición vertical. Coloca las sustancias en orden creciente de viscosidad. Responde: ¿La densidad y la viscosidad de las sustancias tienen siempre la misma tendencia? Gases La principal característica que diferencia a los gases de los demás estados de agregación es que no tienen forma ni volumen definido. La fuerza de atracción en los gases es mínima y su energía cinética es mayor, por lo que las moléculas de un gas tienden a estar muy alejadas entre sí. Otra característica de los gases es su compresibilidad. En la vida cotidiana se aprecia cuando abres un refresco; se puede escuchar claramente la salida del gas que se encontraba comprimido en su recipiente, y como la presión dentro del envase es mayor que la atmosférica, se puede escuchar y a veces hasta sentir la fuerza con que sale el gas. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:21 6/30/06 12:02:14 AM ¡Que no te cuenten! Existe cierta discrepancia entre la comunidad científica en torno a nuevos estados de agregación. Se trata del plasma y el estado de condensación Bose-Einstein. Por ejemplo, se preguntan si realmente el plasma es un estado de agregación o una extensión al estado gaseoso. El plasma se define como una mezcla de gases a temperaturas muy elevadas que pueden ser observados de muchas formas, por ejemplo, la aurora boreal o las luces neón. El estado condensado de Bose-Einstein fue descubierto por los científicos Cornell y Weiman en 1995. Su nombre es en honor a los científicos Satyendra Bose y Albert Einstein. Si en los plasmas los átomos se encuentran a temperaturas muy elevadas, en el estado condensado de Bose-Einstein están a temperaturas muy bajas. Este estado ha podido crearse sólo con ciertos elementos; Cornell y Weiman lo demostraron con el rubidio. Resumen E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:22 6/30/06 12:02:18 AM 1.2.4 Cambios de estado Con un cambio en la energía de los sistemas, puede modificarse su estado. Observa el siguiente esquema y contesta: Se absorbe energía cuando el cambio de fase va en este sentido Se libera energía cuando el cambio de fase va en este sentido 1. ¿Qué tipo de energía crees que se necesita para pasar de un estado de agregación a otro? 2. ¿Qué fase tiene la mayor energía? 3. ¿Qué fase tiene la menor energía? Observa el siguiente diagrama en el que se nombran los diferentes cambios de estado. ,OS CAMBIOS DE ESTADO %BULLICIØN #ONDENSACIØN A LÓQUIDO 'AS 3UBLIMACIØN A DEPOSICIØN ,ÓQUIDO ,ÓQUIDO &USIØN 3OLIDIFICACIØN 3ØLIDO E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:23 6/30/06 12:02:20 AM Con base en el diagrama y en los ejemplos, escribe las definiciones restantes de los cambios de estado de agregación: FUSIÓN: La fusión es la transición del estado sólido al líquido. CONGELACIÓN: EVAPORACIÓN: CONDENSACIÓN: SUBLIMACIÓN: DEPOSICIÓN: Este cambio es el inverso a la sublimación, aquí la materia pasa directamente del estado gaseoso al sólido sin pasar por el líquido. Para que la materia cambie de estado se modifica la energía de sus moléculas, ya sea alterando la temperatura o la presión; también pueden variarse las dos al mismo tiempo. En la materia, aumentar la temperatura implica agregar energía y viceversa. Observa con detenimiento la gráfica y contesta las siguientes preguntas. 1. Explica con tus propias palabras qué interpretación le das a la gráfica. Cada cambio de fase tiene un nombre que depende del punto de partida y del estado al que llega. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:24 2. ¿Cómo se comporta la temperatura durante un cambio de fase? 3. ¿Pasará lo mismo con la presión? 6/30/06 12:02:23 AM Observa la siguiente tabla en la que se registran las distintas temperaturas de fusión y ebullición del agua a diferentes presiones. Fusión Ebullición Presión (atm) Temperatura °C 0.5 0.7 1.0 0 3.0 ⫺0.2 0.5 80.9 1.0 100 3 132.9 4. ¿Qué pasa con la temperatura de fusión y ebullición cuando aumenta la presión? 5. ¿Qué pasa con la temperatura de fusión y ebullición cuando disminuye la presión? Observa la siguiente gráfica y contesta: 1. ¿La grafica se refiere al punto de ebullición o de fusión del agua? ¿Cómo lo sabes? 2. ¿A qué presión tendrías que trabajar para cambiar de fase a 30 ºC? E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:25 6/30/06 12:02:24 AM Conexión al mundo Los perros no tienen glándulas sudoríparas, excepto en los dedos de las patas; por eso se enfrían jadeando. Al resoplar, la saliva de los perros se evapora en su lengua y como es un proceso que requiere energía, los perros se refrescan. Si te da frío al salir de la regadera, puedes entrar de nuevo al cancel y calentarte. Dentro se condensa el exceso de vapor de agua, este proceso libera la energía que ayuda a calentarnos. El gas que usamos en casa nos lo venden en cilindros o lo distribuyen en pipas; en ambos casos se encuentra en estado líquido; sin embargo, cuando pasa a las tuberías de la casa ya está en estado gaseoso. En ambos depósitos, el gas se encuentra comprimido; al pasar a las tuberías, su presión disminuye y pasa al estado gaseoso. ¡Que no te cuenten! Las lámparas incandescentes son dispositivos formados por una ampolla de vidrio que contiene un gas inerte, argón o kriptón, y un filamento de tungsteno. Las altas temperaturas (alrededor de 2000 ºC) que alcanza el tungsteno con el paso de la corriente eléctrica provocan la emisión de luz visible. El color de esa luz es ligeramente amarillento. Para conseguir luz más blanca es necesario aumentar la temperatura del filamento, con lo que el tungsteno puede sublimar y el filamento hacerse más delgado en algunos puntos. En estos puntos la temperatura aumenta y el tungsteno puede llegar a fundirse (a 3387 ºC), se dice que “la bombilla se ha fundido”. E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:26 6/30/06 12:02:25 AM Debido a la sublimación del tungsteno, habitualmente la ampolla de vidrio de una bombilla va oscureciéndose —el tungsteno que sublima se deposita, vuelve al estado sólido, en la zona de menor temperatura, el vidrio. En la actualidad, para obtener luz más blanca se utilizan las lámparas halógenas que permiten que el filamento alcance una temperatura más elevada sin que el tungsteno llegue a fundirse. ¿Sabías que las lámparas halógenas funcionan gracias a la sublimación de un metal? Resumen Líquido Sólido Gaseoso Estados de agregación Sublimación Físicas Químicas Extensivas Ebullición Propiedades Materia Cambios de estado Intensivas Fusión Solidificación Condensación Depositación ¿Una sola sustancia? Sí No ¿Se descompone en sustancias más simples? Sí Mezcla No ¿Uniforme en todos sus puntos? Compuesto Elemento No Mezcla heterogénea E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:27 Sí Mezcla homogénea 6/30/06 12:02:28 AM Evalúate y aplica tus conocimientos a. Los antiguos mexicanos empleaban el jade para elaborar ornatos y otros objetos suntuarios. A esta piedra la asociaban con el agua, por lo que a los muertos se les introducía una pieza en la boca para que no les faltara ese líquido durante su viaje por el inframundo. La composición química del jade es: jadeíta NaAl(SiO2), nefrita Ca2(MgFe)5SiO3O22(OH)2. Dos muestras de jade distintas difieren en las cantidades relativas de jadeíta y nefrita. Sin saber más acerca de los materiales, ¿cómo clasificarías a la jadeíta? b. De los siguientes ejemplos identifica las propiedades físicas y químicas: 1. En la bitácora de uno de tus compañeros lees la siguiente evidencia experimental; elabora un cuadro comparativo con las propiedades físicas y químicas que identifiques. La sustancia es un metal lustroso, blanco plateado, que se funde a 125 °C y hierve a 300 °C; su densidad a 25 °C es de 1.738 g/cm3. La sustancia arde en el aire, produciendo una luz blanca intensa, y reacciona con cloro para generar un sólido blanco quebradizo. La sustancia es buena conductora de la electricidad. 2. El gas cloro, amarillo verdoso, ataca al sodio metálico para formar cristales de cloruro de sodio (sal de mesa). 3. Un imán que separa una mezcla de limadura de hierro y arena blanca. 4. El hierro de la chatarra de los coches lentamente forma una frágil costra café rojiza. c. De los siguientes ejemplos determina si el cambio es físico o químico. 1. La formación de escarcha es el cambio de temperatura del vapor de agua (agua gaseosa), en aire húmedo, a cristales de hielo (agua sólida) 2. Explosión de dinamita que forma una mezcla de gases al convertirse en otras sustancias. 3. Una planta que brota de una semilla regada y fertilizada (la semilla, el aire, el fertilizante, el suelo y el agua usan energía de la luz solar para producir cambios complejos en su composición). E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:28 6/30/06 12:02:30 AM d. Dibuja el ciclo del agua e indica cómo se llaman los cambios de estado por los que pasa y en cuál estado el agua tiene mayor energía. · E0319-Unidad 1/1.2.indd Sec1:29 6/30/06 12:02:31 AM Energía Lo que vamos a estudiar 1.3 Energía 1.3.1 Características y manifestaciones de la energía 1.3.2 Beneficios y riesgos en su consumo 1.3.3 Energías no contaminantes E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:30 6/30/06 12:08:30 AM ¡Activa tus ideas! Algunos científicos c han buscado afanosamente te construir una máquina de mov ovimiento perpetuo, de tal man nera que habría necesidad de aplicar energía a la máqui uina sólo al principio. ¿Crees es que esto sea posible? ¿Por qué? Si alguien te dice un litro de gasolina iente puedes transitar una a distancia mayor que con u un litro de gasolina frío. ¿Cre rees que es verdad o que es mentira? ¿Por qué? E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:31 6/30/06 12:08:36 AM ¿En qué piensas cuando hablamos de energía? Escoge entre llevar cargando tus libros y cuadernos de tu casa a la escuela o acarrearlos en esas mochilas que tienen ruedas. Y qué mejor si esas ruedas fueran impulsadas por un motor, ¿o no? ¿Por qué cuando algo te cuesta trabajo físico buscas la forma de realizarlo para que te canses menos? ¿Crees que la naturaleza se comporte de la misma forma? Cuando uno piensa en un animal viene a la mente la idea de que para conseguir su alimento, éste se desplaza corriendo, volando o nadando. ¿Pero qué piensas cuando oyes hablar de las plantas carnívoras? Existe una que se llama Dionaea muscipula, mejor conocida como Venus atrapamoscas. Por obvias razones, ¿Las plantas carnívoras ahorran esta planta no puede andar corriendo de aquí para allá buscando moscas que comer. energía al no moverse? Mueve sus trampas lo menos posible para que cuando éstas se cierren atrape algo. ¿Tiene esto que ver con un ahorro energético? Seguramente has visto u oído la publicidad de ciertos alimentos o bebidas que dicen darte energía, ¿realmente te la dan? Algunas bebidas se anuncian como proveedoras de energía 1.3 Energía Energía es la capacidad de los cuerpos o sistemas para desarrollar un trabajo. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:32 Actualmente, hablar de energía va más allá de la simple definición del concepto en términos físicos, ya que se ha convertido en un asunto de interacción económica, financiera y tecnológica entre empresas y países. Sin energía, un país no puede producir todos los bienes y servicios que su población demanda, ni aumentar constantemente su producción. La energía, junto con otros recursos naturales como la tierra, el agua, los bosques y los recursos humanos, es una parte de la soberanía de una nación; es decir, la facultad que ésta le otorga a su gobierno de decidir libremente el destino y uso de su riqueza, de acuerdo con los intereses nacionales. A pesar de que el término energía resulta difícil de definir en pocas palabras, por estar tan familiarizados con él e incluirlo cotidianamente en nuestro lenguaje parecería que tenemos cierta comprensión de su significado. Una forma sencilla de comenzar con el estudio de la energía es tomar la definición de nuestra clase de física: “la energía es la capacidad de los cuerpos o sistemas de cuerpos para efectuar un trabajo”. 6/30/06 12:08:43 AM 1.3.1 Características y manifestaciones de la energía Ley de conservación de la energía: la cantidad total de energía se conserva durante una transformación. Para ejemplificar el anterior concepto digamos que podemos levantar un objeto (realizamos un trabajo) debido a la energía que nos proporcionan los alimentos que ingerimos; energía química que provino de reacciones químicas en nuestro organismo. En una máquina, por ejemplo, el trabajo realizado está limitado por el combustible. De la generalización de experiencias como las anteriores se deriva lo que conocemos como ley de conservación de la energía: la cantidad total de energía es igual antes y después de una transformación. En otras palabras, la energía que pierde un cuerpo que efectúa un trabajo la gana totalmente el cuerpo sobre el cual se efectúa dicho trabajo. El resultado neto es que no hay pérdida de energía del Universo como un todo. No existen excepciones a esta ley y no podemos obtenerla a partir de otros principios. La energía cinética de un cuerpo está asociada al movimiento Las leyes de Newton son: 1. Todo cuerpo permanece en estado de reposo a menos que una fuerza lo modifique. A esto se le llama inercia. 2. La fuerza de un cuerpo es directamente proporcional a la masa y a la aceleración del mismo. 3. A toda acción corresponde una reacción, de igual magnitud pero en sentido contrario. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:33 La energía química que genera la combustión del carbón se transforma en energía calorífica que cambia el estado del agua. La presión ejercida por el vapor pone en movimiento el mecanismo La energía puede manifestarse de varias maneras: química, térmica, mecánica, eléctrica, atómica o nuclear, por citar algunos ejemplos. La energía que produce el movimiento de un cuerpo se denomina cinética. La expresión que describe este tipo de energía puede obtenerse si recordamos nuestras clases de física clásica. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la fuerza necesaria para poner un cuerpo en movimiento después de estar en reposo es: F⫽m⫻a (3.1) Donde m es la masa del cuerpo y a su aceleración. Si la distancia que recorre el cuerpo cuando aplicamos la fuerza es igual a dd, el trabajo, W, podemos expresarlo como: W⫽F⫻d (3.2) Se puede demostrar que la distancia d se relaciona con la velocidad, v, y la aceleración, a, mediante la ecuación: d ⫽ v2兾2a (3.3) 6/30/06 12:08:47 AM Por lo tanto, la energía cinética debida a este movimiento será: Ec ⫽ F ⫻ d ⫽ ma ⫻ v2兾2a ⫽ mv2兾2 Energía cinética es aquella implicada en el movimiento de un cuerpo. (3.4) La energía potencial es la capacidad que tiene un cuerpo para efectuar un trabajo en virtud de su posición. Nuevamente, podemos obtener una expresión para este tipo de energía recurriendo a la segunda ley de Newton —ecuación 3.1. Ec ⫽ mv 2兾2 La energía potencial está determinada por la posición de los cuerpos Energía potencial es aquella que posee un cuerpo dada su posición. Ep ⫽ mgh La fuerza aplicada al cuerpo en este caso es la que ejerce la gravedad Fg; por lo tanto, la aceleración será también la aceleración debida a la gravedad, g; entonces, la fuerza queda expresada como: Fg ⫽ m ⫻ g (3.5) Si hacemos que el cuerpo se eleve a una altura h, el trabajo efectuado para hacerlo contra la fuerza de gravedad es el trabajo almacenado dentro del cuerpo o su energía potencial, que de acuerdo con la ecuación 3.3, expresamos como: Ep ⫽ Fg ⫻ h ⫽ (mg)h (3.6) Piensa y explica Si analizamos la ecuación 3.4, queda claro que la energía cinética depende de la velocidad a la que se mueva un cuerpo. Si la velocidad del cuerpo es cero, o está en reposo, su energía cinética es igual a cero. ¿Pasa lo mismo con la energía potencial al analizar la ecuación 3.6? ¿Existe alguna altura natural igual a cero? Energía mecánica es la suma de la energía cinética más la potencial. Em ⫽ Ec ⫹ Ep E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:34 A la suma de la energía potencial más la energía cinética se le llama energía mecánica. Un ejemplo de los diferentes tipos de energía lo podemos apreciar cuando un atleta realiza un salto con pértiga (ver la figura de la página siguiente). Este deportista tuvo que ingerir alimentos que su organismo transformó para poder mover los músculos de sus piernas; inicialmente, esto le proporcionó energía cinética. Durante el salto la energía cinética se convierte en energía potencial, pues el competidor tiene que desplazarse una determinada altura para rebasar la barra. Para poder saltar una altura h, el atleta tiene que despegar del suelo con una energía cinética por lo menos igual a mgh, Pero notemos que h no es la altura desde el suelo hasta la barra, puesto que su centro de gravedad está aproximadamente a un metro de altura 6/30/06 12:08:48 AM del suelo y comienza su salto en una posición erguida. Justo en el momento en que alcanza la barra, el atleta tiene que flexionar su cuerpo de tal forma que quede en una posición horizontal, para que la altura h que tenga que elevarse sea mínima. El atleta tiene que elevar su centro de gravedad (cg) solamente una altura h, que es aproximadamente la mitad de la altura a la que está la barra del suelo Pero, ¿para qué nos sirve conocer los diferentes tipos de energía? La energía es una fuente básica para el bienestar humano. Luz, refrigeración, aire acondicionado, agua caliente, etcétera. El acceso a las diversas fuentes de energía es fundamental para combatir la pobreza. Hay cada vez una mayor relación entre energía, economía y medioambiente. La energía puede clasificarse en primaria y secundaria, de acuerdo con la forma de obtenerla. Energía Primaria Secundaria Se obtiene de fuentes primarias Se obtiene a partir de la transformación de las fuentes La energía primaria corresponde a las distintas fuentes de energía, tal y como se encuentran en la naturaleza; se obtiene en forma directa o después de un proceso de extracción. Ejemplos de energía primaria son la leña, el petróleo, una caída de agua, la energía potencial de un caudal hidráulico y el vapor natural, que es energía almacenada bajo la superficie de la Tierra en forma de calor hasta que emerge como vapor. La energía secundaria es aquella que se obtiene de las fuentes primarias en centros de transformación y tiene características específicas para su consumo final. Algunos ejemplos son el coque, el gas licuado de petróleo, las gasolinas y las naftas, el queroseno, el diesel, el combustóleo, el gas natural y la electricidad. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:35 6/30/06 12:08:50 AM Piensa y explica Discute con tus compañeros sobre los diferentes tipos de energía que conocen. Completa el siguiente cuadro indicando la forma de energía que toma y que provee cada aparato. Energía original Aparato Energía transformada eléctrica licuadora mecánica tostador de pan química horno de gas radio plancha guitarra ventilador calentador eléctrico 1.3.2 Beneficios y riesgos en su consumo Una de las principales formas de energía utilizadas por el hombre es la electricidad Uno de los tipos de energía más importantes es la electricidad, la cual se transmite por electrones en movimiento. Sin la electricidad no sólo no habría luz, sino tampoco comunicación, ni fuerza para el funcionamiento de las máquinas. La electricidad es energía secundaria, o derivada, que puede producirse a partir de la mayoría de los agentes energéticos. El procedimiento más importante consiste en emplear un generador, o alternador, que transforma la energía primaria suministrada por un proceso térmico o por una turbina hidráulica. Para la mayor parte de sus aplicaciones, la electricidad debe producirse al mismo tiempo que se consume. Su almacenamiento es posible tan sólo indirectamente y dentro de límites restringidos. Conexión al mundo Los combustibles fósiles (hidrocarburos y carbón) son y seguirán siendo la principal fuente de energía debido a su menor costo y mayor eficiencia en su transformación. Sin embargo, el impacto ambiental por la emisión de gases y el efecto invernadero como consecuencia de su combustión pueden limitar su utilización en el futuro. La emisión de gases en la producción de energía representa aproximadamente 80% de la contaminación del aire. Es la actividad humana que más contamina el ambiente. ¿Alguna vez pensaste que encender un foco en tu casa o emplear aparatos electrodomésticos representaba contaminar el ambiente? No es que directamente lo hagas, sino que para hacer llegar esa energía a tu casa tuvo que darse un proceso para generarla; es aquí donde se liberan los contaminantes al ambiente. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:36 6/30/06 12:08:52 AM ¡Sorpréndete! En promedio, una casa produce dos veces más gases contaminantes que un auto. Una casa produce aproximadamente 10 mil kg de CO2 y un auto, 5 200 kg. De aquí viene la importancia de ahorrar energía; mientras más ahorres menos contaminarás. Reflexiona sobre este punto, cuando ahorras energía no sólo economizas dinero, sino que ayudas a disminuir la contaminación ambiental. ¿Ahora entiendes por qué debes acostumbrarte al hecho tan simple de apagar la luz cuando sales de una habitación? ¿Sabes cuánto cuesta la energía que llega a tu casa? Haciendo ConCiencia Revisa diferentes aparatos eléctricos, por ejemplo, la plancha, la batidora, la lavadora, la secadora, el televisor, etcétera. Llena la tabla 1. ¿Cómo sabemos cuáles consumen más energía? Observa las especificaciones de los aparatos y fíjate que hay un valor expresado en watts; éste es un valor de potencia, el cual podemos relacionar con la energía de la siguiente manera: Energía ⫽ potencia ⫻ tiempo, cuyas unidades se expresan normalmente como: kwh ⫽ kw ⫻ h Tabla 1. ¿Cuánto cuesta usar la energía? Aparato Potencia (kw) al día Horas encendido Energía兾día (kwh) Costo兾día $ Costo兾año $ refrigerador televisor ¿Cuántas horas usas cada aparato por día? Con este dato calcula la energía que se gasta al día por cada aparato. Para determinar el costo de la energía eléctrica de forma simple considera que: Costo ⫽ precio (que puedes obtener del recibo de luz) ⫻ energía $ ⫽ $兾kwh ⫻ kwh Con los datos anteriores puedes calcular cuánto gastas al día o al año por cada aparato o, si lo sumas, cuánta energía eléctrica gastas en tu casa. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:37 6/30/06 12:22:51 AM Un watt es una unidad de potencia; es decir, la velocidad a la cual se suministra la energía. Debe su nombre a James Watt, inventor de la máquina de vapor. Para entenderlo mejor, reflexiona en el siguiente ejemplo. Si sostienes una manzana —o un objeto— de 100 g y la levantas una distancia de un metro en un segundo, la potencia que necesitaste para hacer esto fue 1 watt, en otras palabras la potencia ⫽ energía/tiempo. Un watt es la potencia que suministra 1 joule por segundo, 1 kilowatt ⫽ 1000 watts. Al subir una escalera, un individuo provee aproximadamente 100 watts; 1 caballo de fuerza ⫽ 736 watts. La demanda de energía en el mundo se ha incrementado y se piensa que seguirá en aumento; para ello, se usarán combustibles fósiles en su mayor parte. No se ve la posibilidad de que puedan ser sustituidos por otras fuentes de energía en un plazo razonable. Sin embargo, existen procesos que si bien no contaminan tanto el ambiente, representan otro tipo de riesgos. Tal es el caso de la energía nuclear. La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Puede obtenerse por el proceso de fisión nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por fusión nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso se transforma directamente en energía. Una reacción nuclear es un millar de veces más energética que una reacción química; por ejemplo, la generada por la combustión del metano. La energía nuclear es aquella que se libera en una reacción nuclear 1.3.3 Energías no contaminantes Afortunadamente, existen otros tipos de energía que, de forma general, están agrupados en la categoría de energía renovable. Se le denomina así debido a que, administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente porque su cantidad disponible no disminuye a medida que se aprovecha. Se conocen como energías renovables establecidas las que ha empleado la humanidad a través de los siglos, o su tecnología se encuentra muy bien desarrollada. Por ejemplo: las grandes centrales hidroeléctricas, la biomasa (en forma de leña). Se llaman nuevas renovables, o no convencionales, o fuentes alternas, aquellas que, aun teniendo el potencial para ser desarrolladas, no se han explotado. Por ejemplo, las energías solar, eólica, mareomotriz, biomasa (en forma de biogás) o hidráulica (minihidráulica). La principal importancia de utilizar energías renovables es que proporcionan una solución a los problemas del cambio climático y contribuyen a la protección del ecosistema de las generaciones presentes y futuras. Biomasa Esta emplea la materia orgánica susceptible de ser utilizada como energía (por ejemplo, desechos sólidos —municipales y agropecuarios— y residuos del bosque). E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:38 6/30/06 12:22:54 AM En México se producen 900 mil toneladas de basura diariamente, de acuerdo con algunas estimaciones. Con esa cantidad de basura podrían generarse aproximadamente 150 mw El aprovechamiento de la biomasa como energético puede realizarse mediante la combustión directa o por la conversión de la biomasa en diferentes combustibles a través de procesos como la digestión anaerobia, la pirólisis, la gasificación o la fermentación. Diversos estudios valoran el potencial de aprovechamiento de este recurso; entre ellos se encuentra la caracterización del biogás generado por residuos sólidos urbanos; también se puede mencionar el análisis de la viabilidad técnica y económica del empleo del bagazo de caña para generar electricidad en los ingenios azucareros del país. Energía solar Para generar electricidad a partir de la energía solar existen varios sistemas. • Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente la luz solar mediante algún material semiconductor. El uso de dispositivos fotovoltaicos ofrece oportunidades para proporcionar electricidad a zonas aisladas. • Los sistemas de concentración de energía solar concentran la energía por medio de dispositivos que reflejan la luz del Sol; pueden ser espejos, los cuales producen calor que genera electricidad. • Los sistemas termosolares calientan fluidos con la ayuda de concentradores. El potencial de aprovechamiento de energía solar en México es uno de los más altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del territorio nacional son zonas con una insolación media del orden de 5 kwh/m2 al día, el doble del promedio de Estados Unidos. El potencial de aprovechamiento de energía solar en México es uno de los más altos del mundo caciones; en general, resultan elevados en comparación con las tecnologías convencionales. Los costos para sistemas fotovoltaicos se encuentran en un orden de 3500 a 7000 dólares por kw instalado y de 25 a 1560 centavos de dólar por kwh generado. Para los sistemas fototérmicos los costos se estiman de dos mil a cuatro mil dólares por kw y de 10 a 25 centavos de dólar por kwh1. 1 Fuente: Secretaría de Energía http://www.energia.gob.mx E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:39 6/30/06 12:22:55 AM Energía eólica La energía eólica es la principal fuente de energía de países con gran terreno llano, como España La energía cinética del viento se aprovecha para realizar trabajo mecánico o para generar electricidad, como en molinos y pozos. Los aerogeneradores comerciales de fuerza se encuentran disponibles desde 500 hasta 1500 kw de potencia nominal; actualmente, existen prototipos de hasta 3 mil kw. Hoy día, los costos típicos de inversión en instalaciones eólicas son aproximadamente de mil dólares por kw instalado y los costos de generación por kwh, entre 5 y 11 centavos de dólar, con múltiples beneficios económicos y ambientales. Geotermia Géiser El interior de la Tierra, al igual que el Sol, nos proporciona energía de manera natural, la cual podemos usar sin contaminar el ambiente. En el interior de la Tierra, a 6800 km aproximadamente, la temperatura alcanza más de 5000 °C. Desde tiempos remotos, la gente ha utilizado la energía geotérmica, aunque su principal uso fue para baños de relajamiento y fines recreativos. Actualmente se estudian las reservas geotérmicas para llevar agua caliente a la superficie; para esto se requiere de geólogos, geoquímicos e ingenieros, quienes hacen una gran labor de exploración. Cuando localizan las áreas que contienen agua geotérmica, excavan y conducen el líquido a la superficie, de manera que pueda emplearse para producir energía eléctrica. 2ESERVA GEOTÏRMICA !GUA DE LLUVIA !GUA DE LLUVIA !GUA CALIENTE 2OCA CALIENTE 2OCA CALIENTE Reserva geotérmica E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:40 6/30/06 12:22:56 AM En una planta de energía geotérmica el calor o el agua caliente de las reservas geotérmicas proporcionan la fuerza que mueve las turbinas (generadores) y producen electricidad. El agua utilizada regresa a su fuente original por medio de inyección, de tal forma que puede ser recalentada en la reserva para mantener la presión y, de esta manera, conservar la reserva. Existen diferentes tipos de plantas geotérmicas, dependiendo de la temperatura y la presión de la reserva. Una es la reserva “seca” que produce vapor pero muy poca agua. El vapor se calienta y se bombea directamente a una planta de vapor para hacer girar un generador de turbina. Otra es la “reserva de agua caliente”. En este tipo de reservas el agua caliente (entre 150 y 400 °C) se lleva a la superficie por la misma presión de la reserva; cuando llega a la planta en forma de vapor mueve las turbinas de un generador. Una reserva que tiene agua cuya temperatura no es suficiente para generar el vapor que mueva las turbinas de un generador (entre 250 y 360 °C) puede aprovecharse en una planta “binaria”. En un sistema binario el agua geotérmica se hace pasar por un intercambiador de calor, calentando otro líquido, como el isopentano, cuyo punto de ebullición está por debajo del punto de ebullición del agua. Cuando se calienta el segundo líquido (binario), éste se expande y en forma de vapor puede hacer girar las turbinas de un generador. En este ciclo no hay emisiones contaminantes. Hidráulica La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, lo cual da lugar a un movimiento de rotación que finalmente se transforma en E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:41 6/30/06 12:23:04 AM energía eléctrica por medio de generadores. Es un recurso natural disponible en las zonas que tienen suficiente cantidad de agua y una vez utilizada es devuelta río abajo. Su desarrollo requiere construir presas, canales de derivación y la instalación de grandes turbinas y equipo para generar electricidad. Históricamente, la fuerza del agua ha sido utilizada para moler trigo. Con la Revolución Industrial, especialmente a partir del siglo XIX, comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. El bajo caudal del verano y el otoño y los hielos del invierno hacían necesaria la construcción de grandes presas de contención, por lo que las ruedas hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor. La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El principal auge de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y por el aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920, las centrales hidroeléctricas ya generaban una parte importante de la producción total de electricidad y actualmente este tipo de energía representa la cuarta parte de la producción total de electricidad. Resumen { E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:42 6/30/06 12:23:05 AM Evalúate y aplica tus conocimientos 1. ¿Qué diferencia hay entre energía y fuerza? 2. Calcula la energía potencial de un clavadista de 59 Kg que está a punto de lanzarse de la plataforma de 10m. 3. Explica qué es la potencia eléctrica y cuáles son sus unidades. 4. ¿Qué tipo de energía no contaminante podría utilizarse en tu comunidad? Justifica. E0319-Unidad 1-1.3.indd Sec1:43 6/30/06 12:23:06 AM Cambio físico, químico y nuclear Lo que vamos a estudiar 1.4 Cambio físico, químico y nuclear 1.4.1 Cambio físico y químico 1.4.2 Cambio nuclear E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:44 6/30/06 12:27:02 AM ¡Activa tus ideas! La energía nuclearr eestá asociada a la destrucción.. Sin embargo, países como España satisfacen más del 80% 0% de su demanda energética ca con este recurso. ¿Qué riesg esgos crees que se corren? En gran medida, la generación de energía eléctrica ess responsable de la emisión n de gases que contaminan la atmósfera. ¿Cómo pueden en d disminuirse estas emanacio aciones? E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:45 6/30/06 12:27:06 AM 1.4.1 Cambio físico y químico Todo en la naturaleza se transforma. Los cambios a lo largo del tiempo son manifestaciones constantes de la naturaleza y lo mismo que la materia, pueden clasificarse. Seguramente ya has oído muchas veces que los cambios de la materia pueden distinguirse como físicos y químicos. ¿Pero cuáles son las diferencias entre ellos? ¿Realmente es tan fácil diferenciar un cambio físico de uno químico? Imagina que en una fiesta de disfraces encuentras a tus amigos con atuendos que, según tu parecer, no van con su personalidad: el que siempre habla sobre política y revolución se viste como sacerdote; la que todo el tiempo se preocupa por el maquillaje y la moda se transforma en luchadora; tu amiga que habitualmente Las colisiones que hacen que la pelota se mueva de un lado a otro son se viste de mezclilla y juega balompié usa un vestido de moda inglesa del siglo XIX; cambios físicos y el quejumbroso que siempre está de mal humor se viste de payaso. A pesar de los disfraces, ninguno de ellos cambiaría su personalidad. Algo similar ocurre con la materia. En un cambio físico la composición de la sustancia no se modifica, pero su forma o su estado de agregación sí se alteran. Los cambios físicos son reversibles, es decir, mediante otro cambio físico la materia puede regresar a su estado original. En este tipo de cambio, la materia conserva su “identidad química”. En un cambio Por el contrario, en un cambio químico las propiedades iniciales de la materia son muy físico se conserva diferentes de las cualidades que adquiere después de la mutación. Cuando hablamos de un la composición de la cambio químico, nos referimos implícitamente a una reacción química en donde a las susmateria. tancias que resultan se les llama productos, y son totalmente distintas de las iniciales, a las que llamamos reactivos. Pero, ¿cómo reconocemos si un fenómeno es físico o químico? Observa el siguiente mapa conceptual con las características de cada uno. Cambio En un cambio químico se modifica la composición de la materia. NO ¿Modifica la identidad química de la materia? SÍ Físico Químico • Es reversible • Algunas veces es reversible • Implica energía • Implica energía • Algunas de sus características son: — Cambio de olor y/o color La reacción química que ocurre con la gasolina dentro de un motor es una de las razones por las que un automóvil se mueve E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:46 — Formación de gases o de precipitados 6/30/06 12:27:14 AM Piensa y explica Asegurar que tras un cambio una sustancia sigue siendo la misma o ha cambiado su identidad química, podría ser un asunto complicado. Para demostrarlo, te pedimos que reflexiones sobre las siguientes situaciones. Si te encuentras en tu salón de clases, un debate sobre el tema podría resultar enriquecedor. Los alótropos son formas diferentes de un mismo elemento, el cual está en el mismo estado de agregación. a) El diamante y el grafito son los dos alótropos más comunes del carbono. Para que uno se transforme en otro es necesario un reacomodo de los átomos, lo cual implica la ruptura de algunos enlaces y la formación de otros. Aunque las propiedades físicas (y el precio) de ambas formas son muy diferentes, sus propiedades químicas son bastante similares. ¿El hecho de que estén formadas sólo de átomos de carbono significa que sigan siendo la misma sustancia? Entonces, ¿de qué tipo de cambio se trata: físico o químico? b) Al evaporarse el agua, sus moléculas se comportan de manera totalmente distinta: su energía cinética aumenta, su densidad es mucho menor que en estado líquido y su viscosidad también se modifica. Hay reacciones químicas que ocurren con el agua en estado gaseoso, pero no cuando se encuentra en estado líquido. ¿Cómo podríamos comprobar que se trata de la misma sustancia y que un cambio en el estado de agregación es un cambio físico? ESTADO GASEOSO c) Toma un trozo de unicel común y corriente y sumérgelo en acetona y observa. Describe las propiedades iniciales del unicel: Describe las propiedades de la sustancia resultante: ¿Observaste el desprendimiento de un gas? E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:47 6/30/06 12:27:16 AM ¿Dirías que se trata de un fenómeno físico o de un fenómeno químico? ¿Por qué? d) Al poner un huevo al “baño María” por unos minutos, su contenido cambia al estado sólido para convertirse en un “huevo duro”. ¿Será éste un cambio físico o químico? ¿Por qué? E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:48 6/30/06 12:27:17 AM Cómo puedes darte cuenta, a veces resulta confusa la diferenciación entre un fenómeno físico y uno químico. Por eso, la mejor forma de separarlos es mediante el estudio de las propiedades microscópicas de la materia. Recuerda que conocemos todas estas cualidades sólo a través de modelos planteados por la ciencia. En algunas ocasiones, estos modelos nos permitirán explicar con claridad lo que observamos; pero en otros casos, nuestros modelos tendrán que ser modificados o perfeccionados para explicar con mayor precisión nuestra realidad. Sin embargo, hay fenómenos cotidianos que sí podemos separar de manera simple en fenómenos físicos o químicos. Fenómenos químicos Fenómenos físicos Al freír el huevo se descomponen las cadenas de proteínas que lo forman El cambio de estado del agua que provoca la precipitación es un fenómeno físico Los colores que toman las piezas de cerámica son resultados del cambio químico en los barnices La licuadora forma una mezcla que puede llegar a ser homogénea La descomposición de la comida es resultado de una reacción química Cuando se rompe algo no cambia su composición, por lo tanto es un fenómeno físico En tu cuerpo se llevan a cabo procesos químicos que te proporcionan energía y participan en tu crecimiento. También usas tu cuerpo para provocar fenómenos físicos, como el movimiento E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:49 6/30/06 12:27:21 AM 1.4.2 Cambio nuclear Ya hemos hablado de los cambios que observamos en la naturaleza y de una primera clasificación de ellos. Pero, ¿qué pasa cuando ese cambio no puede observarse sino a través de sus manifestaciones? Imagina que tienes un grupo de canicas muy juntas; enseguida, arrojas una canica con gran fuerza contra el conjunto. ¿Qué esperas que suceda? ¡Claro!, que al momento del impacto todas salgan esparcidas en diferentes direcciones. Pero para este ejemplo piensa que el montón de canicas está unido de tal forma que es difícil separarlas (como un muégano); por lo tanto, para poder dispersar unas cuantas necesitas lanzar la canica con gran energía para que logre “arrancar” grupos de más o menos tres canicas y el conjunto inicial sea partido en dos. Precisamente cuando ocurre esto se libera una gran cantidad de energía. Si en lugar de canicas haces el experimento con átomos, entonces el resultado es la energía nuclear. La explicación de un cambio nuclear implica la utilización de uno de nuestros modelos, el del átomo. Aunque profundizaremos en él más adelante, recordemos que según esta teoría, toda la materia está formada por átomos y cada uno tiene un núcleo donde están los protones de carga positiva y los neutrones, que no poseen carga. Alrededor del núcleo está la nube de electrones de cada átomo. Un cambio nuclear es aquel donde la constitución del núcleo se ve modificada. Esta transformación implica una gran cantidad de energía; por ejemplo, un gramo de uranio o plutonio puede producir tanta energía como la combustión de una tonelada de aceite. Cuando hablamos de los cambios físicos y químicos, la materia se conserva; esto significa que no hay pérdida ni ganancia de masa en las especies químicas involucradas. En un cambio nuclear, parte de la masa del núcleo se transforma en energía. Algunos países, como Francia, utilizan la energía nuclear para satisfacer el mayor porcentaje de sus necesidades energéticas. Resumen { E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:50 6/30/06 12:27:23 AM Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Observa con atención los siguientes procesos, encierra en un círculo los pasos que impliquen un cambio químico. Un hombre friendo un huevo Una mujer nadando 2. ¿En alguno de los pasos hay un cambio nuclear? ¿Por qué? E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:51 6/30/06 12:27:25 AM E0319-Unidad 1-1.4.indd Sec1:52 6/30/06 12:27:29 AM E0319-Unidad 2.indd 53 6/30/06 12:54:36 AM La naturaleza de la materia Lo que vamos a estudiar 2.1 Primeras aproximaciones al modelo atómico actual 2.1.1 Leyes ponderales y la teoría atómica de Dalton E0319-Unidad 2.indd 54 6/30/06 12:54:41 AM ¡Activa tus ideas! Toda la materia está co ompuesta por átomos. ¿Qué hace h que los átomos de difer erentes elementos tengan n d distintas propiedades? En el espacio exterior un astronauta flota porque la gra- mados por los mi tos: carbono, hidróge geno. Pero nunca le p rías alcohol a una ensalad da, ¿verdad? ¿Cómo es posible le que dos sustancias compuest estas por los mismos elementos tos tengan propiedades tan an d diferentes? E0319-Unidad 2.indd 55 6/30/06 12:54:48 AM 2.1 Primeras aproximaciones al modelo atómico actual Debido a que el hombre primitivo estaba siempre ocupado tratando de conseguir los elementos que requería para su supervivencia, además de protegerse de los peligros que lo acechaban por doquier, sus preocupaciones sobre la naturaleza de la materia posiblemente no pasaron de la observación de los ciclos naturales. Fue necesario que llegara la agricultura, que el hombre se hiciera sedentario y se constituyeran las sociedades para que algunos individuos trataran de dilucidar cuestiones fundamentales acerca del hombre y lo que le rodeaba. El primero de quien se sabe que propuso una hipótesis sobre la naturaleza de la materia es el filósofo hindú Kanada, que vivió en el siglo IVV a.C. Este hombre concibió la materia como algo discontinuo, hecho de partículas eternas muy pequeñas que están en movimiento perpetuo. Piensa y explica ¿A qué crees que se refieren las tres características que asignaba Kanada a la materia? Mientras tanto… ¿Sabes qué es causalidad? El filósofo jónico del siglo V a.C. Leucipo llegó a una conclusión semejante a la de Kanada. No se conservan escritos de él, pero se le atribuye el principio de causalidad que dice: “Nada ocurre caprichosamente, hay una razón necesaria para todo”. El establecimiento de este principio de causalidad lo llevó a responder a la famosa paradoja de Parménides. Lo real, decía éste, de ninguna manera puede crearse o destruirse; no puede haber movimiento, pues para que ocurra se necesita que haya espacio vacío, y el vacío es precisamente la negación de lo existente. Contra esto, Leucipo argumentó que el movimiento es un hecho innegable, lo cual obliga a admitir que el espacio vacío existe; sin embargo, esto no implica que la realidad tenga que cambiar, crearse o destruirse, siempre y cuando se conciba como si estuviera constituida por un sinnúmero de partículas indestructibles e indivisibles. Demócrito estudió las ideas de Leucipo. Sin embargo, es común que se atribuyan sólo a él las ideas sobre el modelo atómico E0319-Unidad 2.indd 56 6/30/06 12:54:57 AM Piensa y explica ¿Qué es una paradoja? ¿Por qué la teoría de Leucipo resuelve la paradoja de Parménides? Responde y discute. ¡El primero! ¡Que no te cuenten! Átomo significa indivisible. (a, que no se puede, tomein, dividir). El primero en usar la palabra átomo fue Demócrito. También fue el principal discípulo de Leucipo. A lo largo de su vida escribió más de setenta libros en los que recogió y acrecentó el pensamiento de su maestro, por lo que se hizo ampliamente conocido en el mundo antiguo; aunque por mucho tiempo Leucipo y Demócrito se confundieron como un solo personaje y aún hoy es frecuente que la paternidad de la teoría atómica se le atribuya únicamente a él. Demócrito viajó extensamente por el mundo entonces conocido y se cree que llegó hasta la India, donde es posible que haya conocido las ideas de Kanada, coincidentes con las de Leucipo. En sus libros Demócrito sostiene que las sensaciones y el pensamiento son sólo apariencias y que la única realidad son los átomos. Cuenta la leyenda que cuando llegó a esta conclusión se arrancó los ojos con un hierro candente para que la realidad no lo distrajera de su trabajo. Para Demócrito, los átomos poseen cuatro características: posición, forma, tamaño e impenetrabilidad. Estas cuatro características permiten entender todas las cosas materiales como combinaciones de las diferentes formas y tamaños en determinadas posiciones. Posición Tamaño Propiedades de la materia según Demócrito Forma Impenetrabilidad E0319-Unidad 2.indd 57 6/30/06 12:54:58 AM Además de estas características, Demócrito coincidía con las establecidas por Leucipo. Afirmaba que cada cosa estaba compuesta de átomos diferentes, que además de ser eternos y esféricos se acomodaban dejando espacio vacío entre ellos. Aristóteles nunca aceptó la teoría de Demócrito. En cambio, postuló la teoría del horror vacuii que negaba la existencia del vacío. La influencia de Aristóteles era tal que pasaron más de veinte siglos sin que se progresara en este campo, a pesar de que el conocimiento se mantuvo entre los filósofos y alquimistas árabes de la Edad Media, y tanto Boyle como Newton asumieron alguna forma de atomismo en sus trabajos sobre física. Sin embargo, sólo fue hasta principios del siglo XIX que John Dalton (1766-1844) formuló una nueva teoría atómica. Piensa y explica Subraya el inciso correcto: 1. En el año 450 antes de Cristo, fue uno de los primeros en pensar que existía una partícula indivisible. aa) Leucipo b) Demócrito b cc) Dalton d) Lavoisier d cc) Dalton d) Lavoisier d 2. Fundó la escuela de los atomistas. aa) Leucipo b) Demócrito b 3. Fue el primero en utilizar la palabra átomo y en introducir el concepto del vacío. aa) Leucipo b) Demócrito b cc) Dalton d) Lavoisier d 4. Dijo que un elemento no puede separarse en otras sustancias por métodos químicos. aa) Leucipo b) Demócrito b cc) Dalton d) Lavoisier d 2 2.1.1 Leyes ponderales y la teoría atómica de Dalton ¿Tienes algún pasatiempo? ¿Te ha pasado que a partir de tu pasatiempo te has hecho preguntas interesantes? Eso le sucedió a Dalton. Era un profesor que vivía modestamente y dedicaba una gran parte de su tiempo a su pasión: la meteorología y el estudio del aire. Durante años observó y registró concienzudamente las condiciones atmosféricas de cualquier sitio en donde se encontrara. OJO ENVIARLA POR FAVOR Imagen de alguna de las pruebas de daltonismo. Jonh Dalton sufría una enfermedad que le impedía distinguir todos los colores. La enfermedad lleva ahora su nombre; si puedes distinguir el número encerrado en esta imagen, tranquilízate, no la padeces. (Esta prueba funciona solamente a color) E0319-Unidad 2.indd 58 6/30/06 12:54:59 AM Para aquella época, los experimentos de Priestly, Rutherford, Cavendish y Lavoisier habían probado que el aire estaba compuesto de cuatro gases: oxígeno, nitrógeno, bióxido de carbono y vapor de agua. Dalton conocía el resultado de esos experimentos y, para su sorpresa, la composición del aire en cualquier parte, aun en las más altas de la atmósfera, era igual. Acércate a la ciencia Investiga en qué consisten los experimentos de Priestly, Rutherford, Cavendish y Lavoisier. Responde: ¿Cómo se puede determinar la composición del aire? La difusión, es decir, la mezcla gradual de las moléculas de un gas con moléculas de otro en virtud de sus propiedades cinéticas, constituye una demostración directa del movimiento aleatorio. La difusión siempre procede una región de mayor concentración a otra menos concentrada. Durante mucho tiempo, Dalton trató de entender este fenómeno y llegó a la conclusión de que los gases estaban compuestos de partículas que podían difundirse fácilmente unas entre otras, manteniendo así la misma composición del aire. No obstante, para entender la difusión era necesario tratar de imaginarse las partículas. Dalton había estudiado las ideas de Kanada, Leucipo y Demócrito y pensó en átomos. Comenzó a dibujar círculos que representaban átomos e hizo construir esferas de una pulgada de diámetro con las que fue construyendo y enseñando su teoría atómica. Para Dalton, los átomos eran esferas tan pequeñas que resultaban invisibles, pero que por naturaleza eran sólidos y dotados de movimiento. Su principal diferencia con los filósofos de la antigüedad consistió en uno de los principios fundamentales de la química moderna: todos los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí y difieren de los átomos de los demás elementos. A partir de este principio poco a poco fue tratando de entender el cambio químico. La formación del agua se debía a la unión de un átomo de hidrógeno con otro de oxígeno. Distingue y compara El modelo de Demócrito estuvo basado en la reflexión. Asumía que las cosas estaban hechas de átomos diferentes, pero no intentó explicar la diferencia. E0319-Unidad 2.indd 59 Dalton construyó su modelo a partir del análisis de resultados experimentales, básicamente de la composición elemental de ciertos compuestos. Explicaba la diferencia de los átomos en función de su masa. 6/30/06 12:55:00 AM Proporciones constantes La ley de las proporciones constantes indica que la proporción en masa de cada elemento en un compuesto se mantiene constante. Otros científicos, como Proust y Barthellet, habían estado midiendo las proporciones en que ciertas sustancias se combinaban para formar otras. Se había demostrado que 11% de hidrógeno se unía a 89% de oxígeno para formar agua. Tras múltiples experimentos llegaron a la conclusión de que la composición de los elementos en un compuesto siempre es la misma. Esta afirmación de Proust y Barthellet hecha alrededor de 1800 se conoció después como la ley de las proporciones constantes o de las proporciones definidas. En 1803, Dalton explicó las proporciones constantes mediante su teoría. Propuso que todos los átomos de un mismo elemento son iguales y por lo tanto tienen el mismo peso; entonces, cuando dos átomos se unen para formar un compuesto, todas las partículas de este compuesto tendrán el mismo peso. La proporción por peso de los elementos constituyentes es una constante. No importa de dónde obtengas el agua, siempre tendrá 11% de hidrógeno y 89% de oxígeno La materia se conserva La ley de la conservación de la materia propuesta por Lavoisier también era explicada por la teoría atómica de Dalton. Para ilustrar por qué la masa total de los elementos era la misma antes y después de una reacción, Dalton argumentó que en las reacciones químicas los átomos sólo se reacomodan para dar nuevas combinaciones. Ley de las proporciones múltiples. Si dos elementos se combinan en proporciones diferentes para formar compuestos diferentes, entonces, la razón de las masas de uno de ellos en los dos compuestos diferentes será un número entero pequeño. E0319-Unidad 2.indd 60 Proporciones múltiples Como buena teoría; la de Dalton explicaba experimentos conocidos y proporcionaba elementos para explicar los nuevos. Otro concepto fundamental que este científico derivó de sus observaciones es la ley de las proporciones múltiples, la cual se puede expresar de la siguiente forma: si dos elementos se combinan en proporciones diferentes para formar compuestos diferentes, entonces, la razón de los pesos de uno de ellos en los dos compuestos diferentes será un número entero pequeño. Por ejemplo, la razón de las masas del oxígeno en H2O y en H2O2 es de 1: 2 y 1:1 respectivamente. Aunque los compuestos tengan exactamente los mismos elementos (hidrógeno y oxígeno en este ejemplo) sus propiedades pueden ser completamente diferentes si la proporción en la que se combinan es diferente 6/30/06 12:55:01 AM La masa atómica La primera tabla de pesos atómicos fue propuesta por Dalton en 1805 e incluía 20 elementos. Las tablas de Dalton tenían como referencia la masa del hidrógeno. Para entender qué es una masa relativa, te invitamos al siguiente Haciendo ConCiencia. Haciendo ConCiencia Una gruesa como referencia Consigue un paquete de lentejas, otro de frijol y uno más de garbanzo. Necesitas también una balanza 1) Coloca en una probeta las siguientes sustancias. • De cada uno de los paquetes, toma 144 semillas (una gruesa) • Mide y registra la masa correspondiente a cada gruesa de semillas. • Repite cada medida 10 veces. • Con estos datos, llena la siguiente tabla. define la unidad de masa atómica (uma) como 1/12 de la masa del 12C. La masa atómica relativa también llamada peso tó i d elemento es la relación entre su masa y la unidad de masa atómica. El valor que asignamos a la tó i d un elemento es la media ponderada de las masas atómicas de todos sus isótopos teniendo en cuenta l b d i relativa de cada uno de ellos. E0319-Unidad 2.indd 61 • Calcula el promedio de masa en cada gruesa y anótalo también en la tabla. Muestra Lenteja Frijoles Garbanzo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Promedio 6/30/06 12:55:03 AM 1. Calcula las masas relativas tomando como unidad la más pequeña (lentejas). Masa relativa lenteja Masa 144 lenteja/Masa 144 lenteja Masa relativa frijol Masa 144 frijol/Masa 144 lenteja Masa relativa garbanzo Masa 144 garbanzo/Masa 144 lenteja 2. Pesa una “masa relativa” en gramos de cada sustancia y cuenta el número de partículas por masa relativa. Masa relativa de lenteja: Masa relativa de frijol: Núm. de partículas de lenteja: Núm. de partículas de frijol: Masa relativa de garbanzo: Núm. de partículas de garbanzo: 3. Calcula la masa de un grano de cada semilla mediante los datos obtenidos en la práctica y anótalo aquí: Masa de un grano de lenteja: Masa de un grano de frijol: Masa de un grano de garbanzo: 4. Ahora que ya sabes cuánto pesa cada grano, imagínate ¿qué harías si alguien te pidiera 1500 granos de cada semilla? Escribe aquí tu procedimiento y justifícalo. Una gruesa de átomos En lugar de contar semillas, Dalton se enfrentó al problema de establecer la masa de los átomos. Y como tú, tuvo que tomar una referencia. Observa con atención la tabla en la que te presentamos algunas de las masas atómicas establecidas por Dalton y responde las siguientes preguntas: Símbolo E0319-Unidad 2.indd 62 Nombre Masa Hidrógeno 1 Nitrógeno 5 Carbono 5.4 Oxígeno 7 Magnesio 20 Hierro 50 6/30/06 12:55:04 AM ¿Cuál crees que fue la masa de referencia usada por Dalton? ¿Cómo lo sabes? ¿Qué relación crees que existe entre los datos de Dalton y los que tu obtuviste para las semillas en el ejercicio anterior? Explica tu respuesta. Como puedes darte cuenta, los símbolos de los elementos eran diferentes en la época en la que Dalton proponía su tabla; las masas atómicas que calculó son incorrectas porque usó agua para sus mediciones y aseguraba que la fórmula del agua era HO. Desde hace mucho tiempo, las masas de los elementos están calculadas de acuerdo con la masa de carbono con masa atómica igual a 12 uma. Más adelante, explicaremos por qué se decidió cambiar la referencia de las masas atómicas. Las masas moleculares se expresan en unidades de masa atómica (uma), que por su tamaño resultan apropiadas para este tipo de cantidades. La masa de una molécula en uma será la suma de las masas de los diferentes átomos que la componen. Así, la masa molecular del metano (CH4) será 4M(H) 1M(C), donde M(H) y M(C) son las masas atómicas de los átomos de hidrógeno y carbono, respectivamente; es decir, M(CH4) 4(1) 12 16 uma. Ejemplo 2.1 El cloroformo es una sustancia que se emplea como anestésico y su fórmula química es CHCl3. Calcula su masa molecular en uma. Determina también el porcentaje en masa de cloro que contiene el cloroformo. La masa molecular M es la suma de las masas atómicas, de modo que: M(CHCl3) M(C) M(H) 3M(CI) 12 1 3 · 35.5 119.5 uma por lo tanto, la masa molecular de CHCI3 119.5 gramos. Finalmente, el porcentaje de la masa de cloro se calculará a partir de la contribución del cloro a la masa molecular. De las 119.5 umaa del CHCl3, 3 (35.5) 106.5 proceden del cloro, por lo tanto: % de cloro = E0319-Unidad 2.indd 63 106.5 ⋅ 100 = 89.12% 119.5 6/30/06 12:55:05 AM Problema 2.1 Para formar 10 g de agua se necesitan 1.1g de hidrógeno y 8.8g de oxígeno. ¿Cuántos gramos de hidrógeno y oxígeno se necesitan para obtener 100g de agua? Problema 2.2 Al formarse 58.5g de NaCl se necesitan 35.5g de cloro y 23g de sodio. a) ¿Qué porcentaje en masa de cloro hay en el cloruro de sodio? b) ¿Qué porcentaje en masa de sodio hay en el cloruro de sodio? c) Si pusieras en un matraz de reacción 40g de cloro con 23g de sodio, ¿qué cantidad de cada reactivo reaccionaría? ¿Cómo lo sabes? Para responder esta pregunta te ayudará recordar la ley de las proporciones múltiples. E0319-Unidad 2.indd 64 6/30/06 12:55:06 AM Ejemplo 2.2 Comprueba si la ley de Dalton se cumple para las combinaciones que se presentan a continuación y determina la relación de números enteros implicada. 1 2N2 O2 → 2N2O 2 2N2 202 → 4NO 3 2N2 4O2 → 4NO2 Combinaciones Reactivos Productos N2 O2 1 56g 32g 88g 2 56g 64g 120g 3 56g 128g 184g 1. Se obtiene la masa molecular de los productos de reacción. a) N2O 44g/mol b) NO2 46g/mol c) NO 30g/mol 2. Se obtiene el porcentaje en masa de cada elemento en el compuesto. a) N2O N 63.63% O 36.36% b) NO2 N 30.4% O 69.6% c) NO N 46.6% O 53.4% 3. Se obtiene el porcentaje en masa de las combinaciones de la tabla. E0319-Unidad 2.indd 65 Para un producto de 88g 56g 63.63% y 32g 36.36% Por lo tanto, corresponde a N2O Para un producto de 120g 56g 46.6% y 64g 53.4% Por lo tanto, corresponde a NO Para un producto de 184g 56g 30.4% y 128g 69.6% Por lo tanto, corresponde a NO2 6/30/06 12:55:06 AM Ahora esquematiza con modelos las reacciones anteriores. Representa los átomos como esferas sólidas. 2 2 2 4 2 4 4 2 Observa cómo, aunque los elementos que se combinan son los mismos, la proporción en la que se combinan da como resultado compuestos diferentes en los productos. De las pequeñas esferas que permitían entender el movimiento de los gases, Dalton pasó a pensar que los átomos eran las unidades mínimas de combinación para formar compuestos. En su New System of Chemical Phylosophy (1808-1810) establece el concepto de peso atómico, entendido como el peso de un elemento que se combina en una proporción determinada —expresada por un número entero— con otro elemento para formar un compuesto. Con este concepto construye un sistema de pesos atómicos basados en el hidrógeno como unidad y el de los otros elementos como múltiplos enteros del hidrógeno. El sistema era primitivo, dado el conocimiento entonces existente, pero permitió que otros científicos trataran de agrupar los elementos de acuerdo con sus propiedades; esto finalmente culminó con la tabla periódica de Dmitri Mendeléiev. Las ideas de Dalton fueron muy útiles para entender la naturaleza de la materia y aunque pasó mucho tiempo para que fueran ampliamente aceptadas, sirvieron de base para mucha controversia y experimentación. En este sentido, es particularmente importante el trabajo del sueco Jöns Jakob Berzelius, quien confirmó las leyes de Dalton y descubrió varios elementos nuevos. Piensa y explica 1. Las leyes ponderales son aquellas que implican relación entre la masa de los reactivos y las masas de los productos. Explica a qué se refiere cada una de éstas : aa) Ley de Lavoisier o de conservación de la materia. b) Ley de Proust o de las proporciones constantes. b E0319-Unidad 2.indd 66 6/30/06 12:55:07 AM cc) Ley de Dalton o de las proporciones múltiples. 2. ¿Cuál de los siguientes enunciados describe mejor la ley de la conservación de la materia? a) En una reacción química, la suma de los pesos de las sustancias que reaccionan es igual a la suma de los pesos de las sustancias que se producen. b) En una reacción química, la suma de los pesos de los núcleos que reaccionan es igual a la suma de los pesos de los núcleos que se producen. c) En una reacción química, la suma de las masas de las sustancias que reaccionan es igual a la suma de las masas de las sustancias que se producen. d) En una reacción química, la suma de las masas de los núcleos que reaccionan es igual a la suma de las masas de los núcleos que se producen. 3. Identifica la ley ponderal que aplica a cada una de las siguientes observaciones y explica brevemente tu razonamiento. a) Una muestra de cloruro de potasio proveniente de Chile contiene el mismo porcentaje en masa de potasio que otra muestra de cloruro de potasio proveniente de Polonia. b) La masa sumada de magnesio y oxígeno antes ser usado el flash de una cámara fotográfica es igual a la masa de óxido de magnesio encontrado después de usado el flash. c) Al reaccionar, el arsénico y el oxígeno pueden formar dos sustancias: una en la que hay 65.2% de arsénico, y otra en la que el porcentaje en masa de arsénico es 75.8%. Resumen E0319-Unidad 2.indd 67 6/30/06 12:55:08 AM Evalúate y aplica tus conocimientos Calcula los porcentajes en masa de los elementos que constituyen las siguientes sustancias: aa) H2O Ejemplo resuelto: mO mH Por otro lado, los porcentajes en masa para los elementos que constituyen al agua son: mO % en masa del oxígeno m 100 agua mH 100 % en masa del hidrógeno m agua La composición gravimétrica del agua, C. G agua es: C. G agua donde la masa total mtotal, es la suma de las masas de todos los elementos que constituyen la sustancia. En este caso: mtotal mH mO 1 g de H 8 g de O 9 g de agua E0319-Unidad 2.indd 68 6/30/06 12:55:09 AM Document1 6/30/06 2:28 AM Page 69 entonces: % de hidrógeno en el agua ⫽ mcl mcloruro de azufre 1 ⫻ 100 ms ⫽ 11.1 % mcloruro de azufre 1 ⫻ 100 y % de oxígeno en agua ⫽ 8 g de O ⫻ 100 ⫽ 88.9 % 9 g de agua Ahora inténtalo tú: b) Agua oxigenada, H2O2: 16 g de O/1 g de H b cc) Cloruro de hidrógeno, HCl: 35.5 g de Cl/1 g de H d) Amoniaco NH3: 4.67 g de N/1 g de H d 1. Calcula la composición gravimétrica de las siguientes sustancias, a partir de los porcentajes en masa de sus elementos constituyentes: aa) Cloruro de azufre I: 47.5 % de azufre y 52.5 % de cloro Al dividir los porcentajes en masa se obtiene directamente la composición gravimétrica: C. G.cloruro de azufre I ⫽ m % de cloro ⫽ mcl % de azufre s C. G.cloruro de azufre I ⫽ 52.5 % de cloro ⫽ 1.1 g de cloro/1 g de azufre 47.5 % de azufre Ahora inténtalo tú: b) Cloruro de azufre II: 31.1 % de azufre y 68.9 % de cloro b cc) Fluoruro de xenón I: 77.6 % de xenón y 22.4 % de flúor d) Fluoruro de xenón II: 63.3 % de xenón y 36.7 % de flúor d 2. Muestra con cálculos cómo se cumple la ley de las proporciones múltiples para las siguientes parejas de sustancias: aa) Cloruro de azufre I y cloruro de azufre II b) Fluoruro de xenón I y fluoruro de azufre II b E0319-Unidad 2.indd 69 6/30/06 12:55:43 AM Document1 6/30/06 2:28 AM Page 70 En las entrañas del átomo Lo que vamos a estudiar 2.2.1 Partículas subatómicas y los rayos catódicos 2.2.2 El electrón y el modelo atómico de Thomson 2.2.2.1 El experimento de Millikan 2.2.3 La radiación y el modelo atómico 2.2.4 El modelo de Rutherford 2.2.4.1 El neutrón y los experimentos de Chadwick 2.2.4.2 Isótopos y aplicacion E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:70 6/30/06 2:15:42 AM Document1 6/30/06 2:28 AM Page 71 ¡Activa tus ideas! La televisión se ha vu uelto un objeto común en loss hogares, ¿crees que tengaa aalguna relación con el des esarrollo de los modelos atóm tómicos? ¿Cuál? La utilización de “marccadores” para identificar un tu tumor ha sido fundamental en la medicina. ¿Conoces eesos “marcadores”? E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:71 6/30/06 2:15:51 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 72 2.2.1 Partículas subatómicas y los rayos catódicos El modelo de John Dalton (1766-1844) resultaba útil, pero insatisfactorio en muchos aspectos. Los químicos y físicos llevaban mucho tiempo frustrados en su intento por explicar el paso de la electricidad a través de los gases. Uno de los fenómenos eléctricos más espectaculares es el de los rayos, que no son más que descargas eléctricas a través de la atmósfera. Aunque Benjamín Franklin había intentado explicarlos con su famoso experimento con cometas de papel, los rayos resultaron demasiado aleatorios e incontrolables como para permitir su estudio sistemático. Las descargas eléctricas a través de los gases habían sido observadas en el laboraThomas Alva Edison (1847-1931) diseñó un experimento con una torio por Francis Hauskbee, quien en 1709 reportó la aparición de una luz extraña lámpara de cristal en la que se ha cuando electrificaba un recipiente de vidrio que contenía aire a baja presión. hecho el vacío y donde se completa La conducción eléctrica a través de los gases también intrigó a Faraday, quien un circuito eléctrico por los electrones en 1838 realizó experimentos con descargas eléctricas a través de los gases. Incluso, emitidos desde un hilo caliente notó que los gases que eran considerados como aislantes propiciaban fácilmente ese tipo de descargas cuando se les enrarecía. La pregunta era inmediata, ¿sería posible conducir la corriente eléctrica en el vacío? Julius Plücker, profesor de la Universidad de Bonn, tenía como asistente a un hábil soplador de vidrio y fabricante de instrumentos: Heinrich Geissler, quien diseñó un artefacto capaz de lograr un vacío sin precedente dentro de un tubo de vidrio. El “tubo Geissler” tenía además un par de electrodos metálicos sellados en cada extremo; de esta manera era posible aplicar un alto voltaje al gas contenido en el tubo a muy baja presión. Plücker descubrió unos pequeños puntos luminosos sobre las paredes de vidrio. Parecía como si algún tipo de radiación invisible se emitiera desde el electrodo negativo, o cátodo, causando la luminiscencia sobre el tubo de vidrio. Era una radiación que salía del cátodo, por lo cual se le conoce como rayos catódicos. En 1895, Wilhelm Conrad Roentgen anunció en Alemania el descubrimiento de los rayos X a partir de los rayos catódicos. En 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió una misteriosa radiación emitida por un mineral de uranio: un componente de esa radiación era idéntico a los rayos catódicos. En ese mismo año, Pieter Zeeman, asesorado por su profesor, Hendrick Antoon Lorentz, demostró cómo un intenso campo magnético afecta al espectro atómico del sodio. Lorentz infirió que las partículas eléctricas que radiaban la luz tenían una relación carga-masa mil veces mayor que la del ión hidrógeno. Eso significaba que debía haber partículas Wilhelm Conrad Roentgen mucho más pequeñas que el átomo de hidrógeno. ¿Cuáles eran estas partículas? Piensa y explica Discute con tus compañeros por qué se dedujo que había partículas de menor masa que el átomo más pequeño conocido. Escribe aquí las conclusiones a las que lleguen. ¡Que no te cuenten! Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X —en 1895— al observar que cuando hacía pasar una corriente eléctrica por un tubo de vacío se inducía el brillo de una pantalla fluorescente y que el brillo de ésta desaparecía si se interrumpía la corriente. Roentgen atribuyó X, debido a que era desconocida hasta ese este efecto a un tipo de radiación que llamó rayos X momento. E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:72 6/30/06 2:15:59 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 73 Los rayos X tienen una energía muy elevada y longitud de onda corta que les permite atravesar los tejidos. Al pasar a través del cuerpo, los tejidos más densos, como los huesos, bloquean los rayos más intensamente que los tejidos de menor densidad, como los pulmones. 10 -6 nm 10 -5 nm 10 -4 nm Rayos gamma 10 -3 nm 10 -2 nm 10 -1 nm Rayos X 400 nm 1 nm 10 nm 100 nm Violeta Azul Radiación ultravioleta Verde Amarillo Naranja Rojo 1000 nm = 1 µm 10 µm 100 µm 1000 µm = 1 mm 10mm = 1cm Luz visible Radiación infrarroja 700 nm Microondas 10 cm 100 cm = 1 m 10 m 100 m Ondas de radio 1000 m = 1 km 10 km 100 km Para registrar las imágenes de rayos X, que nosotros llamamos radiografías, se utiliza un tipo especial de película fotográfica. Los rayos X se convierten en luz y cuanto más energía alcance la película, producirá un mayor oscurecimiento de ella. Por este motivo, los huesos, que dejan pasar menos energía, se verán más blancos que los pulmones, que permiten el paso de los rayos. A los dos meses de su descubrimiento, los rayos X ya eran utilizados en Europa y Norteamérica, no sólo para tomar imágenes de los órganos internos de personas vivas, sino también para tratar una gran variedad de enfermedades. Actualmente existen aparatos que producen rayos X con una energía de alrededor de 120 mil electrovolts y que se usan para el radiodiagnóstico, mientras que los que se emplean para el tratamiento del cáncer por radioterapia son mucho más potentes, pues generan una energía de 2 millones a 20 millones de electrovolts. 2.2.2 El electrón y el modelo atómico de Thomson El físico británico Joseph John Thomson realizó varios experimentos con lo rayos catódicos, de cuyas conclusiones obtuvo las bases para proponer su modelo atómico. Aquí te presentamos sus experimentos y resultados, lee con atención. Joseph John Thomson Experimento 1. Conectó electrodos a un tubo de vidrio en el que había un gas a baja presión (aproximadamente de 0.001 mm de Hg). El ánodo y el cátodo se hallaban conectados a una fuente de alto voltaje, con más de 10 000 volts. + cátodo E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:73 pantalla fluorescente ánodo rayos catódicos 6/30/06 2:16:01 AM El paso de la corriente provocaba que la pequeña cantidad de gas emitiera una luz tenue. Los rayos se desplazaban en línea recta y emitían un destello al llegar a una pantalla formada por una sustancia fluorescente. Experimento 2. Al interponer un objeto metálico opaco en el camino de los rayos, como se muestra en la figura, observó que se formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Esto indicaba que los rayos partían del cátodo. Por eso se conocen como rayos catódicos. pantalla fluorescente cátodo ánodo sombra Experimento 3. Con este experimento, Thomson averiguó que los rayos tienen masa. En el camino de los rayos interpuso una pequeña rueda. Observó que la rueda giraba como consecuencia del paso de los rayos. Por esto concluyó que, en efecto, los rayos poseen masa. pantalla fluorescente ánodo cátodo rueda Experimento 4. Thomson usó esta modificación para averiguar qué carga tenían los rayos catódicos. Mediante un campo eléctrico, o un campo magnético, comprobó que los rayos se desviaban alejándose del polo negativo del campo y se acercaban al polo positivo. Este comportamiento le indicó que los rayos son partículas negativas. carga negativa ánodo + cátodo carga positiva E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:74 pantalla fluorescente 7/4/06 11:22:11 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 75 Piensa y explica Conexión al mundo La caja ¿catódica? En 1911, el ingeniero eléctrico Campbell Swinton presentó a la Sociedad Roentgen un esquema de sistema de televisión, el mismo que se usa en la actualidad. La escena que se desea transmitir se enfoca sobre una placa hecha de material no conductor de electricidad, la cual se encuentra dentro de un tubo de rayos catódicos. La diferencia entre este arreglo y el de los tubos al vacío usados por Thomson es que ahora el ánodo tiene en su centro una pequeña abertura que permite el paso de partículas. mosaico placa de señal recipiente de vidrio luz electrones lente cañón electrónico amplificador E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:75 6/30/06 2:16:03 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 76 Cuando el filamento calienta el cátodo, éste desprende electrones que son atraídos por el ánodo, y un haz de ellos lo cruza para finalmente chocar contra el extremo opuesto del tubo. Si además se añaden algunas placas paralelas que ejerzan determinada fuerza sobre los electrones, en lugar de llegar al punto originall se desviarán y llegarán a cualquier otro punto. Al conjunto de ánodo, cátodo y placas se le llama cañón electrónico, y por medio de éste se puede hacer incidir el haz de electrones en cualquier punto del fondo del tubo. Como ya dijimos, la parte interior del fondo del tubo se cubre con una placa no conductora y con un metal fotoeléctrico se forma un mosaico que tiene un número muy grande de pequeños islotes que emiten electrones cuando se les ilumina. Cuando un rayo de luz proviene de la imagen, éste incide sobre los islotes, cada uno de los cuales emite electrones en proporción a la cantidad de luz que le llega. Cuando un islote emite electrones, debido a que inicialmente era eléctricamente neutro, queda con una carga eléctrica positiva; cuanto mayor sea el número de electrones que emita, mayor será la carga positiva en él. Como la imagen que incide sobre los islotes tiene diferentes intensidades en diversos puntos, en el mosaico del fondo del tubo se formará una distribución de carga eléctrica positiva que lleva las características de la imagen. Los islotes están inmersos dentro de una placa de mica, que es aislante, por lo que cada uno de ellos está eléctricamente aislado de los demás islotes. Detrás de la placa de mica hay una placa metálica. Junto con la placa, cada islote cargado forma un condensador en miniatura. Enseguida, con el cañón electrónico se hace incidir un haz de electrones sobre cada uno de los islotes en forma sucesiva; es decir, el cañón barre toda la superficie de la placa de mica. El haz de electrones que incide sobre cada islote reemplaza a los electrones que le faltan (que se emitieron cuando llegó la luz al mencionado islote) y esto se manifiesta en un cambio del voltaje entre el islote y la placa metálica. Este voltaje, cuya magnitud depende de la intensidad de la luz que llegó al islote, se transmite al amplificador. De esta manera, se va generando una secuencia de voltajes que se van transmitiendo, y así se transforma una señal luminosa en una señal eléctrica. El amplificador va pasando las señales a un circuito que las transmite en forma de ondas electromagnéticas. Este dispositivo forma la cámara de televisión. A medida que el haz electrónico barre la superficie de la pantalla, ésta se va iluminando punto por punto. El barrido total de la superficie tarda un intervalo de aproximadamente 1/30 s ⫽ 0.03 s; es decir, en 0.03 segundos se prenden cientos de miles de puntos luminosos en la pantalla. El ojo humano tiene una característica, la persistencia, que hace que una imagen se siga viendo alrededor de 0.1 segundos después de que se ha retirado de la vista; por lo tanto, el ojo humano sigue viendo todos los puntos que se van iluminando en la pantalla en 0.03 segundos, aun después de que se apagaron. De esta manera, el cerebro tiene la impresión de que toda la superficie se iluminó al mismo tiempo. Fuente: adaptación de información tomada de Eliezer Braun, Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología, FCE. E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:76 6/30/06 2:16:04 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 77 Su modelo Cuando Thomson propuso su modelo atómico, se sabía que los átomos eran neutros. Así, teniendo en cuenta lo que se sabía del átomo y luego de los experimentos reseñados, Thomson propuso el siguiente modelo: El átomo se encuentra formado por una esfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas (electrones), de forma similar a como se encuentran las pasas en un pastel. Además, como el átomo es neutro, la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas. 2.2.2.1 El experimento de Millikan En 1909, Robert Andrews Millikan, de la Universidad de Chicago, diseñó un ingenioso experimento para cargar gotas de aceite, con el fin de probar que el modelo de Thomson era correcto y correspondía a la realidad. La siguiente figura muestra un esquema del aparato utilizado, en el que se producen gotas de aceite con un simple atomizador y algunas de ellas caen a través del hueco de la placa superior. A continuación, se le aplican rayos X en la parte inferior para liberar cargas del aire interno que son atrapadas por las gotas de aceite inferiores, lo cual permite que los electrones provenientes de la acción de estos rayos X sobre el aire interior sean medibles. Si se aumenta el voltaje de la pila entre los platos señalados, las gotas con carga (⫺) bajan lentamente por repulsión hacia la placa inferior y ascienden por atracción hacia la placa (⫹) superior. A un voltaje de pila determinado, una gota negativa bajo observación, como la marcada en la figura, se detiene en su camino y queda estacionaria, inmóvil, en el medio inferior, ya que las fuerzas de atracción eléctrica de la placa (⫹) sobre ésta se equilibran con la fuerza gravitacional y si se conocen el voltaje y la masa de la gota, se puede calcular su carga (⫺). gotas de aceite El coulomb es la unidad de medida de la carga eléctrica. atomizador para producir gotas de aceite (+) microscopio gota roja en observación rayos X ionizan aire cargas ( ⫺ ) quedan en las gotas placas eléctricas cargadas (⫺) Todas las cargas que midió Millikan fueron múltiplos enteros de un mismo número, por lo que dedujo que la carga más pequeña observada era precisamente la carga del electrón. Actualmente su valor es e ⴝ ⴚ1,60219 · 10ⴚ19 coulombs y usando la relación e/m ⴝ ⴚ1,75881 · 108 coulombs/gramo —medida por Thomson— le permitió determinar la masa me para el electrón: E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:77 6/30/06 2:16:05 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 78 Piensa y explica Con el descubrimiento del electrón se reveló que: aa) El átomo es divisible. b) Había diferentes tipos de átomos. b cc) El átomo tenía que ser negativo. 2.2.3 La radiación y el modelo atómico Entonces, quedaba por explicar la estructura del átomo, así como la búsqueda de lo elemental: las partículas nucleares. Pocos meses después del descubrimiento de los rayos X, el físico francés Henri Becquerel (1852-1908) observó que unas placas fotográficas se oscurecían en contacto con cierta radiación que emitían algunas sales de uranio: la pechblenda, con lo cual accidentalmente descubrió la radiactividad. A este hallazgo siguieron los realizados por Marie Curie (1867-1934) y Pierre Curie (1859-1906), quienes aislaron otros dos elementos que emitían el mismo tipo de radiación: el polonio y el radio. A estos elementos se les llamó elementos radiactivos; los átomos que los conforman se desintegran espontáneamente, produciendo diferentes tipos de radiaciones. Cuando la emisión radiactiva de un mineral de uranio se hace pasar a través de un campo eléctrico, ésta se divide en tres tipos: una es atraída hacia la placa negativa _ (radiación - rendija bloque de plomo + sustancia radiactiva película fotográfica polos de pila E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:78 6/30/06 2:16:06 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 79 alfa), otra hacia la placa positiva ` (radiación beta) y la tercera no es desviada por el campo a (radiación gama). El conocimiento de las emisiones radiactivas sirvió para postular un nuevo modelo atómico. 2.2.4 El modelo de Rutherford Para analizar la estructura del átomo, Ernest Rutherford (1871-1937) diseñó un experimento que consistía en bombardear una fina lámina de oro con rayos alfa. Para observar el resultado de dicho bombardeo, colocó una pantalla fluorescente alrededor de la lámina de oro. Al estudiar los impactos sobre la pantalla fluorescente observó que: • la mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin sufrir desviación, • algunos se desviaban • y muy pocos rebotaban. Lo que ocurrió en el experimento fue similar a lo que sucedería si tratamos de tirar pequeñas pelotitas a través de una reja. La mayoría pasará sin desviarse porque la mayor parte de la reja es espacio vacío. Algunas pasarán desviándose porque sólo algunas alcanzan a tocar los barrotes de la reja. Muy pocas rebotarán porque son muy pocas las que chocan de frente contra los barrotes de la reja. Rutherford dio a sus experimentos la siguiente explicación: La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina sin desviarse porque, igual que en el caso de la reja, la mayor parte del espacio de un átomo está vacío. E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:79 6/30/06 2:16:06 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 80 Algunos rayos se desviaban porque pasaban muy cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos alfa; es decir, con carga positiva. Muy pocos rebotaban porque chocaban frontalmente contra esos centros de carga positiva. Con base en los resultados, Rutherford concluyó que si la carga positiva estuviera distribuida a lo largo de todo el átomo, como en el modelo de Thomson, no habría posibilidad de que las partículas rebotaran así. La única forma de explicar esos resultados era asumir que toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo se concentran en el centro del átomo, a lo que llamó núcleo. En cuanto a los electrones, los colocó en su modelo orbitando alrededor del núcleo como un émulo de los planetas alrededor del Sol. 2.2.4.1 El neutrón y los experimentos de Chadwick James Chadwick E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:80 James Chadwick (1891-1974) estudió en la Universidad de Victoria y trabajó bajo las órdenes del físico Ernest Rutherford. Tras finalizar la Primera Guerra Mundial se trasladó a la Universidad de Cambridge, en la cual trabajó con Rutherford hasta 1935, año en el que le fue otorgado el Premio Nobel de Física. En 1932, Chadwick descubrió el neutrón, al que le dio una explicación matemática. Llegó a dicha conclusión debido a los experimentos realizados en 1930 por los alemanes Walther Bothe y Herbert Becker. Estos dos científicos realizaron experimentos bombardeando núcleos de berilio con partículas de helio, o partículas alfa, lo cual tuvo como resultado una partícula nueva y desconocida a la que le dieron el nombre de radiación de berilio. Hay que subrayar que se percataron del poder penetrante de dicha radiación en la materia. Poco después, Joliot y Curie profundizaron en dicho experimento al probar la radiación de berilio 6/30/06 2:16:08 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 81 en cera hidrogenada, lo que dio como resultado la separación de los núcleos de hidrógeno de la cera. Chadwick analizó estos experimentos, por lo que en 1932 pudo explicar matemáticamente la radiación de berilio al ponerle a dicha partícula una carga neutra, que más tarde llamó neutrón. El descubrimiento del neutrón dio paso a la fisión nuclear y, con ello, a la bomba atómica. Aunque Rutherford había anunciado dicha partícula diecisiete años antes de que Chadwick la encontrase, éste la descubrió como tal cuando estaba en el equipo de Rutherford. Entre 1943 y 1945, Chadwick dirigió la delegación británica que trabajó en el laboratorio científico Los Álamos, instalado en Nuevo México, Estados Unidos. Sir James Chadwick murió el 24 de julio de 1974. 2.2.4.2 Isótopos y sus aplicaciones De manera experimental, Frederick Soddy (1877-1956) demostró que los átomos de un mismo elemento no tienen, necesariamente, la misma masa. Los átomos del mismo elemento pueden tener diferente número de neutrones; a las distintas versiones posibles de cada elemento se les llama isótopos. Soddy inventó el término isótopos (del vocablo iso que significa igual y topos, lugar) para describir a los átomos de un mismo elemento que contienen diferente número de neutrones en su núcleo. ¡Que no te cuenten! El beso exacto y Soddy Sir Frederick Soddy, Premio Nobel de Química 1921 por el descubrimiento de los isótopos, expresó poéticamente el teorema del Círculo de Descartes en el. “El beso exacto”, cuyas estrofas centrales dicen: Cuatro círculos llegaron a besarse, es el menor el más curvado. La curvatura no es sino la inversa de la distancia desde el centro. Aunque este enigma a Euclides asombrara, como la recta tiene curvatura nula y las curvas cóncavas tienen signo de menos, la suma de los cuadrados de las cuatro curvaturas es igual a la mitad del cuadrado de su suma. Esferas tangentes Los isótopos tienen propiedades químicas iguales, ya que poseen el mismo número de electrones; pero sus propiedades físicas son diferentes, puesto que la masa es distinta para cada isótopo. El isótopo más común del hidrógeno no tiene ningún neutrón; también hay un isótopo del hidrógeno llamado deuterio, con un neutrón, y otro, tritio, con dos neutrones. Hidrógeno Deuterio Tritio Todos los elementos presentan isótopos. Por ejemplo, el elemento neón está compuesto por tres tipos de átomos, algunos de ellos tienen un número másico igual a 20, y otros, 21 y 22. Como el neón tiene un número atómico igual a 10, todos los átomos del elemento neón tienen 10 protones en su núcleo y sólo difieren en el número de neutrones. E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:81 6/30/06 2:16:09 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 82 A partir de 1961, la escala de masas atómicas se basa en el isótopo del carbono 12 como estándar, ya que es el isótopo más abundante en la naturaleza. Debido a que son muchos los elementos que están conformados por isótopos, se adoptó el criterio de que la masa atómica de un elemento debe ser el promedio aritmético ponderado de las masas de sus isótopos estables, según su abundancia en la naturaleza. carbono-12 12 6C 6-neutrones carbono-13 carbono-14 13 6C 7-neutrones 14 6C 8-neutrones Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como isótopos. Éstos se distinguen escribiendo el número de masa junto al nombre o símbolo del elemento. En este caso se representan los tres isótopos del carbón Para el carbono se conocen dos isótopos estables de masas: 1,9927 ⫻ 10⫺23 g y 2,159 ⫻ 10⫺23 g. Recuerda que, debido a que las masas de los isótopos son números pequeños, es necesario expresarlas en unidades de masa atómica (uma), donde: 1 uma ⫽ 1,66056 ⫻ 10⫺24 g Cuando se usa esta equivalencia resultan las masas 12 y 13 uma para los dos isótopos del carbono, los cuales son números fáciles de manipular. Las abundancias naturales de ambos isótopos son: masa isótopos C ⴝ % Abundancia 12 uma ⫽ 98.99 13 uma ⫽ 1.11 Al considerar lo anterior, la masa atómica promedio para el carbono es: MA ⫽ (12 ⫻ 98,99) ⫹ (13 ⫻ 1,11) 100 ⫽ 12,01 uma En general, para cualquier elemento su masa atómica en función de sus isótopos es: MA ⴝ (m1 ⴛ %1) ⴙ (m2 ⴛ %2) ⴙ . . . . . . . ⴙ (mn ⴛ %n)100 Los isótopos radiactivos o artificiales reciben el nombre de radioisótopos. Algunos usos de los isótopos Dado que los diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas, el reemplazo de uno por otro en una molécula no modifica la función de ésta. Sin embargo, la radiación emitida permite detectarla, localizarla, seguir su movimiento y hasta dosificarla a distancia. Los isótopos radiactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca y descubrir las metástasis cancerosas. E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:82 6/30/06 2:16:10 AM Document1 6/30/06 2:29 AM Page 83 Las radiaciones y la radioterapia. Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer —radioterapia—, que fue una de las primeras aplicaciones del descubrimiento de la radiactividad. La esterilización. La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío los microorganismos: hongos, bacterias, virus... Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente del material médico-quirúrgico. La protección de las obras de arte. El tratamiento mediante rayos gama permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y restauración de piezas de arte, de etnología y de arqueología. La producción de electricidad. Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares que, en Francia, producen más de 75 % de la electricidad. Conexión al mundo Un núclido es la especie nuclear que tiene un valor específico para el número de protones (número atómico), Z, y para el número de neutrones, N. Los núclidos con un mismo valor de Z, pero diferente N, son isótopos del elemento químico con número atómico Z. Datación del carbono 14 Hacia 1940, el estadounidense Willard Frank Libby descubrió que a medida que el tiempo pasaba, el carbono 14 presente en los organismos muertos se desmoronaba a una velocidad que podía ser medida. Éste fue el comienzo de una revolución en los métodos de datación. Libby obtuvo el Premio Nobel de Química en 1960 por su trabajo con el carbono 14. El uso del radiocarbono se desarrolló poco después de la Segunda Guerra Mundial, con el periodo moderno de la arqueología. Materiales orgánicos con una antigüedad de hasta 50 000 años pueden ser fechados con esta técnica, que puede emplearse en madera, carbón, hueso, sedimentos y cualquier cosa orgánica que forme parte de la biosfera con un error promedio de 80 años. El carbono tiene tres isótopos. A diferencia del 12 y el 13, el 14 es muy inestable y por lo tanto radiactivo: se desintegra espontáneamente emitiendo débiles radiaciones. El carbono es producido naturalmente por el bombardeo cósmico en la atmósfera superior. Se forma continuamente. Luego de esto, el carbono se combina con el oxígeno para formar CO2 que se disuelve en los océanos, se combina con las plantas a través de la fotosíntesis y es incorporado por los animales al alimentarse de ellas. La absorción del carbono 14 cesa cuando la planta o el animal muere y su concentración comienza a descender debido a la desintegración radiactiva. Libby comprendió que, conociendo el ritmo de desintegración o vida media del C14, podría calcularse la edad de los organismos; es decir, el tiempo transcurrido desde el momento de su muerte. Piensa y explica 1. 125 70 H 129 72 Q 128 69 R 125 71 X 129 70 E 126 69 T 2. En uno de los nuevos satélites de Urano se detectó un núclido cuyo número de masa es de 60; además se observó que contenía 30 electrones y una carga neta de ⫹2. ¿En la Tierra, a cuál núclido corresponde? E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:83 6/30/06 2:16:11 AM E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:84 Rayos catódicos Rutherford bombardea láminas de oro con radiaciones _, de lo cual concluye que la carga positiva debe estar contenida en un pequeño núcleo alrededor del cual giran los electrones. Thompson experimenta con ellos y concluye que viajan en línea recta, tienen masa y poseen carga negativa. Su modelo atómico es una masa de carga positiva con electrones, con carga negativa incrustados. Becquerel, y los Curie, contribuyen al estudio de los elementos que al desintegrarse emiten radiaciones, que por su interacción con las cargas eléctricas son divididas en _, `, y a. Chadwick trabaja con Rutherford y demuestra que el núcleo está compuesto de protones y neutrones. Soddy demuestra la existencia de isótopos, átomos con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones y por lo tanto diferente masa. Los isótopos y radioisótopos son actualmente utilizados en importantes ramas de la medicina. Además, tienen múltiples aplicaciones. 2:29 AM Radiactividad Son la emisión observada en los tubos de Geissler al aplicar una diferencia de voltaje. 6/30/06 Roentgen descubre los rayos X a partir de los rayos catódicos. Resumen Document1 Page 84 6/30/06 2:16:12 AM Evalúate y aplica tus conocimientos Para cada pregunta elige la opción correcta: 1. Descubrió el electrón aa) Thompson b) Rutherford b cc) Chadwick 2. La principal diferencia entre el modelo atómico de Thomson y el de Rutherford es: aa) El de Thomson no tenía electrones b) El modelo de Rutherford consideraba que el átomo era negativo b cc) Rutherford introduce la idea de núcleo 3. Un isótopo es: aa) Un elemento radiactivo b) Un elemento con un mayor número de protones pero igual número de b electrones cc) Un elemento con un mayor número de neutrones pero con el mismo número de protones Responde: 4. ¿Por qué ahora se toma como referencia la masa del carbono 12 para calcular las masas atómicas relativas? 5. ¿Qué es el carbono 14? 6. ¿Cómo se calcula la masa atómica relativa de un elemento? E0319-Unidad 2.2.indd Sec1:85 6/30/06 1:33:38 AM Modelo atómico actual Lo que vamos a estudiar 2.3 Modelo atómico actual 2.3.1 Modelo atómico de Bohr 2.3.2 Modelo de Sommerfeld 2.3.3 Los números cuánticos 2.3.4 Los orbitales atómicos 2.3.5 Configuración electrónica del átomo E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:86 6/30/06 3:13:31 AM ¡Activa tus ideas! ¿Por qué las lámpa mparas en la calle tienen colo olores diferentes? Todos sabemos que ue Einstein ganó un premio oN Nobel. ¿Sabes por qué? E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:87 6/30/06 3:13:42 AM 2.3.1 Modelo atómico de Bohr A finales del siglo XIX los físicos sabían que había electrones dentro de los átomos y que la vibración de los electrones producía luz y otras radiaciones electromagnéticas; pero todavía quedaba un curioso misterio por resolver. Los físicos calentaban diferentes elementos hasta que estaban radiantes y entonces dirigían la luz a través de un prisma. Cuando se observaba la luz de un elemento, se obtenían líneas brillantes de ciertos colores. Eso significaría que los átomos estaban emitiendo solamente ondas de ciertas frecuencias. Cada tipo de átomo emite un conjunto único de colores. Las líneas de color (o líneas espectrales) son algo así como la “huella digital” de los átomos. luz blanca El arco iris es un espectro que contiene todos los colores. La luz solar es una mezcla de la luz monocromática con diferentes longitudes de onda. Esto fue demostrado por Newton al hacer incidir la luz solar sobre un prisma Las líneas espectrales fueron vistas por primera vez en 1802 por William Hyde Wollaston. Sin embargo, no fueron estudiadas sistemáticamente sino hasta 1814, cuando Joseph von Fraunhofer las observó y catalogó. Fraunhofer documentó cuidadosamente las posiciones de las líneas, pero no intentó explicar por qué estaban allí. A finales de 1850, el físico Gustav Kirchhoff decidió investigar más este asunto con la ayuda del químico Robert Bunsen, ¡el mismo que inventó el mechero de Bunsen! Precisamente un mechero era lo que Bunsen y Kirchhoff usaban para sus experimentos. Colocaban diversas sustancias en la llama del mechero, las cuales brillaban con colores particulares, y con la ayuda de un prisma la luz que emitían podía ser separada en espectros Con esta técnica encontraron líneas espectrales que no coincidían con ningún elemento conocido, por lo cual concluyeron que tenían ante sí dos nuevos elementos: el cesio y el rubidio. Más tarde, los elementos galio, helio, argón, neón, kriptón y xenón fueron descubiertos mediante la técnica de Kirchhoff y Bunsen. Líneas espectrales de algunos elementos E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:88 6/30/06 3:13:50 AM Aunque todos coincidían en la utilidad de las líneas espectrales para la identificación de sustancias, no había una explicación para ellas. Para solucionar el acertijo de las líneas espectrales, el físico danés Niels Bohr (1885-1962) diseñó un modelo radical del átomo que tenía electrones orbitando alrededor del núcleo. ¡Que no te cuenten! La constante de Planck y la energía de un fotón En 1900, Max Planck estaba trabajando sobre el problema de cómo la radiación emitida por un objeto se relacionaba con su temperatura. Obtuvo una ecuación a partir de la cual podían obtenerse los resultados experimentales con bastante precisión, pero sólo tenía sentido si se asumía que la energía de una molécula vibrante era cuantizada, es decir, que solamente podía tomar ciertos valores. La energía debía ser proporcional a la frecuencia de vibración y parecía llegar en pequeños “bloques” de la frecuencia, multiplicados por una cierta constante de proporcionalidad. Esta constante se conoce ahora como la constante de Planck (h). h ⫽ 6.626 ⫻ 10⫺34 J • s Con su trabajo acerca del efecto fotoeléctrico, Einstein dio a Planck la importancia que tenía. Einstein propuso que la luz también viaja en esos “paquetes” llamados cuantos. Así, la luz podría estar constituida por pequeñas partículas llamadas fotones, cada una con una energía equivalente a la constante de Planck multiplicada por su frecuencia. En ese caso, la frecuencia de la luz haría una diferencia en el efecto fotoeléctrico. - campo - - - - - - - - + M E T electrón A L C A O radiación V Efecto fotoeléctrico E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:89 6/30/06 3:13:52 AM Los fotones de mayor frecuencia tienen más energía, así que deberían hacer salir a los electrones más rápido; entonces una luz con la misma intensidad, pero con mayor frecuencia, debería incrementar la energía cinética máxima de los electrones emitidos. Si por el contrario la frecuencia se mantiene constante, pero aumenta la intensidad, debería emitirse una mayor cantidadd de electrones (dado que hay más fotones para impactarlos), aunque no saldrán más rápido porque cada fotón tiene la misma energía. E ⫽ hv Si la frecuencia es suficientemente baja, entonces ninguno de los fotones tendrá bastante energía para desprender un electrón de un átomo. Einstein, que recibió el Premio Nobel por su trabajo con el efecto fotoeléctrico y no por la relatividad, llamó frecuencia umbral a esta mínima frecuencia. Piensa y explica Con los datos de la siguiente tabla ubica las frecuencias de las distintas regiones del espectro electromagnético. longitud de onda (m) frecuencia (s-1) rayos gamma rayos x 1.00E⫺10 1.00E⫺08 1.00E⫹21 1.00E⫹19 ultravioleta visible 1.00E⫺06 1.00E⫺05 1.00E⫹17 1.00E⫹15 infrarrojo microondas 1.00E⫺04 1.00E⫺02 1.00E⫹13 1.00E⫹11 radio 1.00E⫹03 1.00E⫹07 10 -6 nm 10 -5 nm 10 -4 nm Rayos gamma 10 -3 nm 10 -2 nm 10 -1 nm Rayos X 400 nm 1 nm 10 nm 100 nm Violeta Azul Radiación ultravioleta Verde Amarillo Naranja Rojo 1000 nm = 1 μm 10 μm 100 μm 1000 μm = 1 mm 10mm = 1cm Luz visible Radiación infrarroja 700 nm Microondas 10 cm 100 cm = 1 m 10 m 100 m Ondas de radio 1000 m = 1 km 10 km 100 km E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:90 6/30/06 3:13:53 AM Usa la ecuación de Einstein E ⫽ hv y responde las siguientes preguntas: h, es la constante de Planck y tiene un valor de: a) ¿Qué unidades se obtienen para la energía en esta ecuación? h = 6.626E⫺32 b) ¿La energía varía de forma directa o indirecta con respecto a la frecuencia? c) Observa la gráfica y deduce cómo varía la energía con respecto a la longitud de onda. d) Las placas fotográficas son materiales sensibles a la luz. ¿Por qué crees que se revelan bajo una luz roja? Según la física clásica, un cuerpo cargado eléctricamente emite energía al estar en movimiento; por lo tanto, en el modelo de Rutherford el electrón tendría que perder energía y caer en el núcleo con una trayectoria de espiral, lo cual no sucede. La solución a este problema la dio Niels Bohr, en 1913, con base en la teoría cuántica de la radiación electromagnética dada a conocer por Max Planck. Los postulados del modelo de Bohr son los siguientes: 1 El átomo de hidrógeno consta de un núcleo (⫹) y a su alrededor gira un electrón (⫺), de tal manera que la fuerza centrífuga contrarresta la fuerza de atracción electrostática. v e Fe r Ze 2 El electrón sólo gira en determinadas órbitas de radios definidos llamados niveles cuantificados de energía. R⫽1 R⫽2 R⫽3 R⫽4 R⫽5 E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:91 6/30/06 3:13:55 AM 3 Mientras los electrones permanezcan en un mismo nivel de energía (que Bohr llamó estados estacionarios) no ganan ni pierden energía. 4 Dentro de un mismo átomo, un electrón puede cambiar de un nivel a otro ganando o perdiendo una cantidad de energía que es igual a la diferencia existente entre ambos estados. De este modo, todo cambio energético del electrón corresponderá a saltos que haga entre los estados estacionarios. 1 2 3 4 5 6 7 5 Un átomo sólo emite energía cuando un electrón salta de un nivel de energía superior a otro inferior y, en caso contrario, absorbe energía. La energía emitida o absorbida por el átomo recibe el nombre de fotón o cuanto de luz. El modelo de Bohr es muy simple y recuerda al modelo planetario de Copérnico, donde los planetas describen órbitas circulares alrededor del Sol. El electrón de un átomo —o ión hidrogenoide— describe órbitas circulares, pero los radios de estas órbitas no pueden tener cualquier valor. Debido a esta aseveración, el modelo de Bohr fue considerado radical por muchos de sus colegas. En pocas palabras, Bohr manifestaba que la energía sólo podría cambiar en pequeños saltos. Éstos son llamados quanta (plural de quantum) y por eso se dice que con Bohr comenzó la mecánica cuántica. Más sobre la energía cuantizada Bohr calculó los radios de cada una de las órbitas de su modelo. El radio de la primera órbita es n ⫽ 1, r ⫽ 5.29 • 10⫺11 m, y se denomina radio de Bohr. Cada nivel energético que identifica a cada órbita toma valores desde 1 hasta 7 (con números enteros) y se representa con la letra “n”; también recibe el nombre de número cuántico principal. E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:92 6/30/06 3:13:58 AM Un angström equivale a 1E⫺10 m. De acuerdo con el número cuántico principal, calculó las distancias entre el núcleo y cada una de las órbitas permitidas en el átomo de hidrógeno. Representación de las órbitas Un joule es la unidad de energía. Con la equivalencia entre joules y electrón-voltios puedes saber la energía del electrón. (1eV ⫽ 1.6 10⫺19 J). n distancia 1 0.53 Å 2 2.12 Å 3 4.76 Å 4 8.46 Å 5 13.22 Å 6 19.05 Å 7 25.93 Å La energía del electrón aumenta con el número cuántico n. Las energías suelen expresarse en electrón-voltios. 2.3.2 Modelo de Sommerfeld El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía. Algo andaba mal. La conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles. En 1916, Arnold Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al afirmar que también podían girar en órbitas elípticas. Esto dio lugar al “número cuántico azimutal” que determina la forma de los orbitales, el cual se representa con la letra l y toma valores que van desde 0 hasta n-1. ¡Que no te cuenten! Una forma diferente Según la leyenda, el señor Rutherford contaba lo siguiente: “Hace algún tiempo recibí la llamada de un colega. Estaba a punto de ponerle un cero a un estudiante por la respuesta que había dado a un problema de física, pese a que éste afirmaba con determinación que la respuesta era absolutamente acertada. Profesores y estudiantes acordaron pedir un arbitraje de alguien imparcial y fui elegido yo. Leí la pregunta y decía: «demuestre cómo es posible determinar la altura de un edificio con la ayuda de un barómetro». “El estudiante había respondido: «lleve el barómetro a la azotea del edificio y átele una cuerda muy larga. Descuélguelo hasta la base del edificio, marque y mida. La longitud de la cuerda es igual a la longitud del edificio». “Realmente, el estudiante había planteado un serio problema con la resolución del ejercicio porque había respondido a la pregunta correcta y completamente. Por otro lado, si se le concedía la máxima puntuación, podría alterar el promedio de su año de estudios, obtener una nota más alta y así certificar su alto nivel en física; pero la respuesta no confirmaba que el estudiante tuviera ese nivel. E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:93 6/30/06 3:13:59 AM “Sugerí que se le diera al alumno otra oportunidad. Le concedí seis minutos para que me respondiera la misma pregunta, pero esta vez con la advertencia de que en la respuesta debía demostrar sus conocimientos en física. Habían pasado cinco minutos y el estudiante no había escrito nada. Le pregunté si deseaba marcharse, pero me contestó que tenía muchas respuestas al problema.” “Su dificultad era elegir la mejor de todas. Me excusé por interrumpirle y le rogué que continuara. En el minuto que le quedaba escribió la siguiente respuesta: tome el barómetro y láncelo al suelo desde la azotea del edificio; calcule el tiempo de la caída con un cronómetro. Después aplique la fórmula altura ⫽ 0.5a ⫻ t2 y así obtenemos la altura del edificio. “En este punto le pregunté a mi colega si el estudiante se podía retirar. Le dio la nota más alta. Tras abandonar el despacho, me reencontré con el estudiante y le pedí que me contara sus otras respuestas a la pregunta. “Bueno, respondió, hay muchas maneras, por ejemplo, tomamos el barómetro en un día soleado y medimos la altura del barómetro y la longitud de su sombra. Si a continuación medimos la longitud de la sombra del edificio y aplicamos una simple proporción, obtendremos también la altura del edificio. “Perfecto, le dije, ¿y la otra manera? Sí, contestó, éste es un procedimiento muy básico para medir un edificio, pero también sirve. En este método, toma el barómetro y se sitúa en la escalera de la planta baja. Según sube la escalera, va marcando la altura del barómetro y cuenta el número de marcas hasta la azotea. Al final, multiplica la altura del barómetro por el número de marcas que ha hecho y ya tiene la altura. “Éste es un método muy directo. Por supuesto, si lo que quiere es un procedimiento más sofisticado, puede atar el barómetro y moverlo como si fuera un péndulo. Si calculamos que cuando el barómetro está a la altura de la azotea la gravedad es cero y si tenemos en cuenta la medida de la aceleración de la gravedad al descender el barómetro en trayectoria circular al pasar por la perpendicular del edificio, de la diferencia de estos valores y aplicando una sencilla fórmula trigonométrica podríamos calcular, sin duda, la altura del edificio. “En este mismo tipo de sistema, ate el barómetro a una cuerda y descuélguelo desde la azotea hasta la calle. Usándolo como un péndulo puede calcular la altura midiendo su periodo de oscilación. En fin, concluyó el estudiante, existen otras maneras. Probablemente la mejor sea coger el barómetro y golpear con la cuerda la casa del conserje. Cuando abra, le diré: señor conserje, aquí tengo un bonito barómetro. Si usted me dice la altura del edificio, se lo regalo. En este momento de la conversación, le pregunté si conocía la respuesta convencional al problema (la diferencia de presión marcada por un barómetro en dos lugares diferentes nos proporciona la diferencia de altura entre ambos lugares). Evidentemente dijo que la conocía, pero que durante sus estudios sus profesores habían intentado enseñarle a pensar”. El estudiante se llamaba Niels Bohr, físico danés, Premio Nobel de Física en 1922, más conocido por ser el primero en proponer el modelo del átomo con protones, neutrones y los electrones que lo rodean. Fue fundamentalmente un innovador de la teoría cuántica. 2.3.3 Los números cuánticos Dos en uno, la dualidad onda-partícula En 1923, Louis Victor de Broglie (1892-1987) sugirió que los electrones tenían propiedades tanto de ondas como de partículas. A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones (como onda y partícula) surgió el principio enunciado por Werner Heisenberg, conocido también como “principio de incertidumbre”, que dice: “Es imposible determinar simultáneamente y con exactitud la posición y la velocidad del electrón”. Es casi como al salir de paseo no pudieras saber simultáneamente a dónde y con quién vas. ¿Te lo imaginas? Si queremos observar la posición de un electrón, deberíamos usar una luz que posea mucha energía, con la cual cambiaría bastante la velocidad del electrón. E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:94 6/30/06 3:14:01 AM En cambio, si la luz utilizada no posee la energía citada en el caso anterior, la velocidad del electrón no cambaría mucho y podría medirse; pero no podríamos observar la posición del electrón. Para solucionar este problema surge un nuevo concepto: el orbital atómico. Se trata de una región del espacio donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta. Un orbital puede contener un máximo de dos electrones. Los números cuánticos describen los niveles de energía de los electrones y las formas de los orbitales que describen las distribuciones de los electrones en el espacio Número cuántico principal (n) Un orbital es una región en el espacio donde es probable encontrar el electrón. Es importante que tengas en cuenta que los orbitales no son figuras sólidas dentro de los átomos. • Describe el nivel de energía principal que ocupa un electrón. Puede ser cualquier número entero positivo n ⫽ 1, 2, 3, 4… Número cuántico secundario o azimutal ( l ) • Designa la forma de la región del espacio que ocupa un electrón. • En cada nivel de energía (n) l puede tomar valores enteros desde 0 hasta (n – 1). l ⫽ 0, 1, 2, 3,... (n – 1) • El número cuántico secundario designa un subnivel o una clase específica de orbital atómico que puede ocupar un electrón. • A cada valor de l se le denota por una letra. Cada una corresponde a una clase diferente de orbital atómico. Número cuántico secundario (ll ) Orbital atómico Significado 0 s sharp 1 p principal 2 d diffuse 3 f fundamental 2.3.4 Los orbitales atómicos y y A x A z z z z y y x x x z z dxy ⴙ ⴙ ⴚ z z y s Py z z x x ⴚ y y x ⴙ ⴚ lxz dyz x x y dx2 2y 2 x x dz2 y y Px E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:95 y z x ⴙ z z Pz 6/30/06 3:14:01 AM Número cuántico magnético (m ml ) • Designa la orientación espacial de un orbital atómico. • En cada subnivel, mll puede tomar cualquier valor entero, desde ⫺ l hasta ⫹l, l pasando por cero. ml ⫽ ⫺ l , . . . 0, . . . ⫹ l • Ejemplo: l ⫽ 1 (subnivel p) Valores de ml ⫽ ⫺ ll, 0, ⫹1 Número cuántico del spin (ms ) • Spin indica la rotación del electrón en torno a su propio eje, en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario. ⫹1/2 ⫺1/2 • El número cuántico del spin sólo puede tener dos valores: ⫹1/2 o ⫺1/2. • Cada orbital sólo puede acomodar dos electrones, uno con ms ⫽ ⫹1/2 y el otro con ms ⫽ ⫺1/2. Simbología 1s ⫽ primer nivel de energía, orbital s 2s ⫽ segundo nivel de energía, orbital s 2p ⫽ segundo nivel de energía, orbital p VALORES DE LOS NÚMEROS CUÁNTICOS HASTA n ⫽ 4 N l ml ms 1 2 3 4 E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:96 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 0 0 ⫺1, 0, ⫹1 0 ⫺1, 0, ⫹1 ⫺2, ⫺1, 0, ⫹1, ⫹2 0 ⫺1, 0, ⫹1 ⫺2, ⫺1, 0, ⫹1, ⫹2 ⫺3, ⫺2, ⫺1, 0, ⫹1, ⫹2, ⫹3 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 ⫾1/2 6/30/06 3:14:04 AM Relaciona las siguientes aseveraciones, con base en la tabla anterior. • • • • • Número de orbitales en un subnivel ⫽ 2l ⫹ 1 Número de electrones en un subnivel ⫽ 2(2l ⫹ 1) Número de subniveles por nivel de energía ⫽ n Número de orbitales en un nivel de energía ⫽ n2 Número de electrones en un nivel de energía ⫽ 2n2 Como hemos visto, las investigaciones en torno al átomo demostraron que está constituido por un núcleo que se compone fundamentalmente por protones (con carga positiva) y neutrones (eléctricamente neutros), y que alrededor se encuentran los electrones (con carga negativa). Piensa y explica Completa la siguiente tabla de características de las partículas elementales del átomo: Partículas Características Electrón (eⴚ) Protón (pⴙ) Neutrón (n) 1.6731 ⫻ 10⫺24 1.673 ⫻ 10⫺24 Carga Símbolo Carga eléctrica relativa ⫺1 Masa (g) 9.11 ⫻ 10⫺28 Recuerda que todos los átomos se pueden identificar por el número de protones y neutrones que contienen. El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo de cada átomo de un elemento. En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones, de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en un átomo neutro. Piensa y explica El número de masa (A) es el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un elemento. núm. masa ⫽ núm. protones ⫹ núm. neutrones núm. masa ⫽ núm. atómico ⫹ núm. neutrones Notación atómica AZX X ⫽ cualquier elemento A ⫽ número de masa Z ⫽ número atómico E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:97 6/30/06 3:14:04 AM A partir del número de protones, neutrones y electrones se puede representar la estructura de los átomos. Si se relaciona el número atómico con el número de masa, se puede calcular el número de partículas fundamentales para un átomo. Por ejemplo, para el sodio: Z ⫽ 11 posee 11 electrones y 11 protones A ⫽ 23 corresponde a la suma de protones y neutrones: A ⫽ p ⫹ n, sustituyendo 23 ⫽ 11 ⫹ n; por lo tanto, el sodio tiene 12 neutrones. Inténtalo. Llena los espacios vacíos del siguiente cuadro comparativo: Elemento Número atómico Masa atómica Z A pⴙ eⴚ n Litio Boro Nitrógeno Flúor Neón Bromo Magnesio Oxígeno Azufre 2.3.5 Configuración electrónica del átomo Es la representación de los electrones de un átomo. El primer número indica el nivel energético o número cuántico principal La letra indica el subnivel energético 1s 1 El superíndice indica la cantidad de electrones del subnivel La regla de Aufbau –que en alemán significa construcción–, o de las diagonales, indica el orden de llenado de los orbitales de un átomo. El principio de Hund indica que antes de aparearse los electrones deben ocupar todos los orbitales. E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:98 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 4f 5f En esta dirección aumenta la energía 6/30/06 3:14:06 AM Esta regla también es conocida como principio de Hund, el cual establece que los electrones deben ocupar todos los orbitales de un subnivel dado antes de empezar a aparearse. Ejemplo Nitrógeno (Z ⫽ 7) de exclusión de Pauli: dos electrones no pueden tener sus cuatro números cuánticos iguales. Configuración electrónica: 1s22s22p3 Notación orbital: 1s2 2s2 2p3 Principio de exclusión de Pauli. En un átomo dos electrones no pueden tener conjuntos idénticos de cuatro números cuánticos. Ejemplo Escribir un conjunto aceptable de cuatro números cuánticos para cada electrón de un átomo de nitrógeno. Notación orbital: 1s2 2s2 2p3 Configuración Electrón n l ml ms 1s2 1 1 0 0 ⫹1/2 2 1 0 0 ⫺1/2 3 2 0 0 ⫹1/2 4 2 0 0 ⫺1/2 5 2 1 ⫺1 ⫹1/2 6 2 1 0 ⫹1/2 7 2 1 ⫹1 ⫹1/2 2s2 2p3 ¿Cómo usar la regla de las diagonales? 11 Na 22,98977 1 El número atómico y la estructura electrónica o distribución de electrones en niveles son datos que se encuentran en la tabla periódica. 2-8-1 El número atómico indica la cantidad de protones que tiene un elemento. Si el átomo es neutro, indica también la cantidad de electrones. E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:99 6/30/06 3:14:07 AM Recordemos que 1 s2 el número 1 delante de la letra indica el nivel; la letra “s” indica el subnivel; y el superíndice 2, la cantidad de electrones. 2 p6 el número 2 delante de la letra indica el nivel; la letra “p” indica el subnivel; y el superíndice 6, la cantidad de electrones. Supongamos que tenemos que averiguar la distribución electrónica en el elemento sodio, que como lo indica su número atómico, tiene 11 electrones. Los pasos son muy sencillos: debemos seguir las diagonales como se representaron anteriormente. Entonces, la configuración electrónica para el sodio es: Para el sodio (11 electrones) el resultado es: 1s2 2s2 2p6 3s1 La suma de los electrones (superíndice) en cada nivel es: nivel 1 2 electrones nivel 2 8 electrones nivel 3 1 electrón Para el manganeso (25 electrones) el resultado es: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d5 La suma de los electrones (superíndice) en cada nivel es: E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:100 nivel 1 2 electrones nivel 2 8 electrones nivel 3 13 electrones nivel 4 2 electrones 6/30/06 3:14:08 AM Resumen Las líneas espectrales de los elementos se han usado para su identificación Para explicarlas, Planck propuso que la energía se mueve por paquetes y calculó una constante de proporcionalidad. h ⫽ 6.623E⫺34 E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:101 Einstein usa la constante de Planck introduciéndola en su ecuación del efecto fotoeléctrico. E ⫽ hv 6/30/06 3:14:35 AM Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Completa la tabla siguiente Especie Número atómico Masa atómica Z A pⴙ eⴚ n O2 ⫺ Na⫹ Mg2⫹ Al3⫹ F⫺ P5⫺ Ne ¿Cómo será la configuración electrónica de estos elementos? Escríbela aquí 2. Subraya la opción correcta en los siguientes orbitales (ten en cuenta el orden de energía de cada orbital) aa) 3p b) 2f b cc) 1d d) 2d d E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:102 6/30/06 3:14:38 AM 3. Subraya la especie a la que pertenece la siguiente configuración electrónica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 aa) K⫹ b) Ca2⫹ b cc) Sc2⫹ d) Ar d 4. ¿Cuál fue la principal contribución del modelo de Bohr? E0319-Unidad 2.3.indd Sec1:103 6/30/06 3:14:39 AM La tabla periódica Lo que vamos a estudiar 2.4 Antecedentes de la tabla periódica actual 2.4.1 La tabla periódica actual 2.4.2 Ubicación y clasificación de los elementos: grupos y periodos 2.4.3 Metales, no metales y semimetales 2.4.4 Reactividad y propiedades periódicas E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:104 6/30/06 3:20:43 AM ¡Activa tus ideas! ¿Por qué crees quee es importante un orden en las cosas? ¿Es realmente nte útil? ¿Qué tan importante ntes son los metales en la activ ctividad social y económica?? E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:105 6/30/06 3:20:51 AM 2.4 Antecedentes de la tabla periódica actual Imagínate en una biblioteca donde no hay bibliotecaria. ¿Qué tan útil te sería si no hay un orden en todos los ejemplares? De la necesidad de ordenar los elementos químicos surgieron las primeras catalogaciones periódicas. Nosotros conocemos la tabla periódica de los elementos, pero ¿de dónde salió? ¿Quién tuvo la idea de clasificar los elementos de esta forma? Aunque hubo mucho intentos de clasificación, hemos seleccionado los que te presentamos aquí: Mendeléiev Meyer Casi al mismo tiempo, dos científicos tuvieron la idea de una ley periódica Las triadas Döbereiner Este químico alcanzó a elaborar un informe que mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades en 1817. Él destaca la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos que él denomina “triadas”. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. Pone en evidencia que la masa de uno de los tres elementos de la triada es intermedia entre la de los otros dos. Para 1850 se contaba con unas 20 tríadas que conformaban la primera clasificación coherente. Chancourtois y Newlands y sus octavas En 1862 Chancourtois, geólogo francés, puso en evidencia una cierta periodicidad entre los elementos de la tabla. En 1864 Chancourtois y Newlands, químico inglés, anuncian la Ley de las octavas que aseveraba que las propiedades de los elementos se repiten cada ocho elementos. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos más allá del calcio, por lo que resulta insuficiente. Comenzaba sin embargo, la nueva historia de la clasificación de los elementos buscando la periodicidad. La historia comienza en el primer congreso de química, que se efectuó en Karlsruhe, Alemania en 1860 donde Stanislao Cannizaro (1826-1910) defendía sus hipótesis sobre las masas atómicas. Entre los asistentes estaban dos personajes; un químico alemán llamado Julius Lothar Meyer, y un químico ruso al que éste había conocido un año antes en la Universidad de Heidelberg: Dmitri Ivánovich Mendeléiev. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:106 6/30/06 3:20:59 AM ¿Qué los hace diferentes? Ambos se basaron en las masas atómicas para ordenar los elementos. Los dos publicaron una ley periódica, Mendeléiev en 1869 y Meyer en 1870. Ambas leyes dicen que las propiedades de los elementos están directamente relacionadas con sus masas atómicas. Entonces, ¿por qué crees que el nombre de Mendeléiev está más relacionado con la tabla periódica que el de Meyer? El trabajo de Mendeléiev es más completo que el de Meyer, ya que pudo ordenar los elementos en filas y columnas y, gracias a esto, predijo las propiedades de elementos desconocidos en su época. Vayamos sobre sus pasos Lo primero que hizo Mendeléiev fue organizar los elementos de acuerdo con su masa atómica. Entonces, hagamos lo mismo. Observa la siguiente gráfica y responde. Masas atómicas 250.00 200.00 uma 150.00 100.00 50.00 0.00 Sc Ti V Cr Mn Cu Zn Ga Y Zr Nb Mc Elementos Tc Ag Cd Hf Ta W Ra Au Hg Sobre el eje de las abscisas están los nombres de los elementos y sobre el eje de las ordenadas, la masa atómica de los elementos. 1. Con ayuda de la gráfica divide estos elementos en tres grupos y anótalos aquí. Grupo 1 Grupo 2 Grupo 3 2. Explica en qué te basaste para hacer la separación de los elementos en grupos. 3. Compara tus grupos con una tabla periódica y escribe lo que observas. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:107 6/30/06 3:21:01 AM Como te habrás dado cuenta, no es difícil comprender cómo Mendeléiev organizó los elementos según el orden de su masa; pero ¿de qué manera decidió construir las diferentes columnas? Una vez que tuvo ordenados los elementos por masas atómicas, Mendeléiev agrupó los elementos en filas y columnas con base en sus propiedades químicas y físicas. Entre las propiedades consideradas por el químico ruso estaba el tipo de compuestos que el elemento formaba, y entre los más conocidos estaban los óxidos, que son compuestos constituidos por la combinación de un elemento al que llamaremos X y oxígeno. Completa la siguiente tabla: Fórmula del óxido Elemento X Fórmula del óxido Cu2O ZrO2 ZnO Nb2O5 Sc2O3 MoO3 TiO2 Tc2O7 V2O5 Au2O CrO3 HgO Mn2O7 HfO2 Ag2O Ta2O5 CdO WO3 Y2O3 Re2O7 Elemento X Ga2O3 Inventa alguna clasificación para los óxidos que forman los elementos X. ¿Cuántos grupos formaste? Explica en qué te basaste para hacer la separación de los elementos en grupos. Ubica los elementos X del ejercicio anterior en la tabla siguiente, de acuerdo al tipo de óxido que forman: X2O XO X2O3 XO2 X2O5 XO3 X2O7 Compara esta clasificación con la que tú y tus compañeros obtuvieron. ¿Se parecen? E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:108 6/30/06 3:21:02 AM Reiher El concepto que Mendeléiev encontró más útil en su diseño de la tabla periódica fue la noción de valencias, propuesta en 1852 por el químico inglés Edward Frankland. La idea era ésta: casi todos los elementos conocidos hasta ese momento se combinaban con hidrógeno o con oxígeno, luego la valencia de un elemento estaba relacionada con el número de átomos de hidrógeno o de oxígeno que se combinaran con ese elemento. Hidrógeno y oxígeno forman agua, H2O, luego al hidrógeno se le dio una valencia de 1 y al oxígeno de 2. Para cualquier otro elemento, la valencia fue definida como el número de átomos de hidrógeno, o dos veces el número de átomos de oxígeno que se combinarían con un átomo de ese elemento. Más adelante sabremos cómo calcular las valencias. Mendeléiev utilizó este concepto para hacer el mismo ejercicio que realizaste tú, sólo que algunos de nuestros elementos X no se habían descubierto, aun cuando él propuso su tabla periódica: Sc, Ti, Y, Mo, Tc y Re. Grupo II Grupo III Grupo IV Grupo V Grupo VI Grupo VII RH R2O RO R2O3 4 3 2 RH RH RH RO2 R2O5 RO3 R2O7 1 H1 2 Li 7 Be 9.4 B 11 C 12 N 14 O 16 F 19 3 Na 23 Mg 24 Al 27.3 Si 28 P 31 S 32 Cl 35.5 4 K 39 Ca 40 44 Ti 48 V 51 Cr 52 Mn 55 5 (Cu 63) Zn 65 68 72 As 75 Se 78 Br 80 6 Rb 85 Sr 87 ?Yt 88 Zr 90 Nb 94 Mo 96 100 In 113 Sn 118 Sb 122 Te 125 J 127 7 (Ag 108) Cd 112 8 Cs 133 9 () 10 ?Er 178 ? La 180 Ta 182 W 184 Tl 204 Pb 207 Bi 208 Th 231 U 240 11 12 Ba 137 ?Di 138 ?Ce 140 (Au 199) Hg 200 Grupo VIII RO4 Fe 56, Co 59 Ni 59, Cu 63 Ru 104, Rh 104 Pd 106, Ag 108 Os 195, Ir 197, Pt 198, Au 199 Esta versión de la tabla periódica de Mendeléiev fue publicada en la revista Annalen der Chemie en 1871. Compara la clasificación de Mendeléiev con las obtenidas en clase por masa atómica y por tipo de óxido. Escribe las similitudes y diferencias. ¿Crees que la forma en que Mendeléiev acomodó los elementos tiene que ver con su valencia? ¿Por qué? Sí, porque la valencia tiene que ver con el tipo de compuesto que forman los elementos, en este caso, de sus óxidos. Compara tus clasificaciones con una tabla periódica. Describe las semejanzas y diferencias que encuentres. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:109 6/30/06 3:21:02 AM 2.4.1 La tabla periódica actual Mendeléiev pudo predecir las propiedades químicas de elementos que aún no se descubrían La tabla del ejercicio anterior es un ejemplo de que elementos cuyas masas atómicas sean realmente parecidas pueden ser muy diferentes, y algunos elementos con masas muy distintas son semejantes entre sí. Siempre que se encontraba con que algún elemento químico no tenía relación con el situado inmediatamente encima de él, Mendeléiev se saltaba el orden creciente de las masas atómicas para darle prioridad a la afinidad química. Así, siempre que fuese necesario cambiaba el orden de dos elementos químicos consecutivos o, en su caso, dejaba un hueco bajo la hipótesis de que correspondía a algún elemento desconocido. Lo asombroso es que acertó en varias ocasiones, pues incluso llegó a predecir las propiedades químicas de estos elementos desconocidos. En 1913, con los experimentos de Henry Gwyn Jeffreys Moseley se incluye un criterio que elimina las aparentes incongruencias existentes en el modelo de Mendeléiev. Contesta: ¿Qué diferencias hay entre la tabla periódica de Mendeléiev y la actual? La principal diferencia es que la tabla periódica de Mendeléiev tenía como parámetro de organización a la masa atómica y la actual, el número atómico. Escribe la ley periódica de Moseley. 2.4.2 Ubicación y clasificación de los elementos: grupos y periodos • En la tabla periódica están agrupados los elementos que tienen propiedades químicas y físicas semejantes. • Los elementos están ordenados de acuerdo a su número atómico. • Las filas horizontales se llaman periodos. • Las columnas verticales se llaman grupos o familias. • Los elementos se dividen en: metales, no metales y metaloides. • Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad. • Un no metal generalmente es un mal conductor del calor y la electricidad. • • • • • • Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales. Metaloides (8): B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At. No metales (17): H, C, N, P, O, S, Se, F, Cl, Br, I, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Metales (84): el resto de elementos. Elementos representativos: grupos A. Elementos de transición: grupos B. Familias o grupos especiales • • • • E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:110 Metales alcalinos: grupo 1 A Metales alcalinotérreos: grupo 2 A. Halógenos: grupo 7 A. Gases nobles o raros: grupo 8 A. 6/30/06 3:21:03 AM Indica a qué elemento corresponden las siguientes coordenadas: Coordenada Elemento Coordenada Familia 1, periodo 2 Familia 13, periodo 6 Familia 14, periodo 5 Familia 12, periodo 4 Familia 8, periodo 4 Familia 5, periodo 5 Cuarta casilla de los actínidos Familia 10, periodo 7 Familia 18, periodo 2 Séptima casilla de los lantánidos Familia 2, periodo 3 Familia 15, periodo 4 Elemento Investiga qué es un alótropo y escribe el nombre de tres elementos y sus alótropos. 2.4.3 Metales, no metales y semimetales Cerca de 80% de los elementos incluidos en la tabla periódica son metales. Éstos tienen propiedades físicas muy útiles para el hombre y por lo tanto una gran aplicación en la industria. En las siguiente tabla se resumen las propiedades físicas y químicas de los metales y los no metales. Propiedades físicas de los metales y los no metales: E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:111 METALES NO METALES Alta conductividad eléctrica Baja conductividad eléctrica Alta conductividad térmica Buenos aislantes del calor Brillo gris metálico o plateado Sin brillo metálico Casi todos son sólidos (excepto Hg, Cs, Ga) Sólidos, líquidos o gases Maleables (pueden laminarse) Frágiles en estado sólido Dúctiles (pueden estirarse en hilos) No dúctiles Forman cationes Forman aniones Forman compuestos iónicos con no metales. Forman compuestos iónicos con metales y compuestos covalentes con no metales. Estado sólido caracterizado por enlace metálico. Enlace covalente. Los gases nobles son monoatómicos. 6/30/06 3:21:04 AM Describe el uso de otros metales y discute con tus compañeros sobre la importancia de los metales en el desarrollo de la tecnología en México. Escribe una nota sobre la utilidad de los metales. 1 1 18 2 H 1 2 1.00794 3 2 4 Li 6.941 3 9.012182 Ca 39.0983 40.078 38 Rb Sr 85.4678 87.62 55 6 56 Cs Ba 132.90545 87 7 Fr ( 223 ) 3 24.3050 20 K 37 5 10.811 Na Mg 19 137.327 88 Ra ( 226 ) 21 Sc 44.955910 39 Y 88.90585 57 La 138.9055 89 Ac ( 227 ) 4 5 22 Ti 47.867 40 Zr 91.224 72 Hf 178.49 104 Rf ( 261 ) 23 V 50.9415 41 Ta 180.9479 105 Db ( 262 ) Ce 140.116 90 Serie del Actinio 6 24 Cr 51.9961 42 7 25 Mn 54.938049 43 Nb Mo Tc 92.90638 73 58 Serie del Lantano Th 232.0381 Metales B 13 12 22.989770 4 5 Be 11 14 13 95.94 74 W 183.84 106 ( 98 ) 75 Re 186.207 107 Sg Bh ( 266 ) 59 Pr 140.90765 ( 264 ) 60 144.-24 92 231.03588 238.02891 No metales 26 Fe 55.845 44 9 27 Co 58.933200 45 Ru Rh 101.07 76 Os 190.23 108 Hs ( 277 ) 61 102.90550 77 Ir 192.217 109 Mt ( 268 ) 62 10 28 Ni 58.6934 46 11 29 Cu U ( 145 ) 93 Np ( 237 ) 150.36 94 12 30 Zn 63.546 47 65.409 48 Pd Ag Cd 106.42 78 Pt 195.078 110 107.8682 79 112.411 80 Au Hg 196.96655 111 200.59 112 ( 281 ) 63 ( 272 ) 31 12.0107 14 Si 28.0855 32 7 N 14.0067 15 P 30.973761 33 Ga Ge As 69.723 49 In 114.818 81 Tl 204.3833 113 64 151.964 95 157.25 96 ( 285 ) 65 Tb 158.92534 97 Pu Am Cm Bk ( 244 ) 26.981538 C 72.64 50 Sn 118.710 82 Pb 207.2 114 74.92160 51 Sb 121.760 83 Bi 208.98038 17 16 8 O 15.9994 16 S 32.065 34 Se 78.96 52 Te 127.60 84 Po ( 209 ) 9 F 18.9984032 17 Cl 35.453 35 Br 79.904 53 I 126.90447 85 At ( 210 ) He 4.002602 10 Ne 20.1797 18 Ar 39.948 36 Kr 83.796 54 Xe 131.293 86 Rn ( 222 ) 115 116 117 118 68 69 70 71 Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo Nd Pm Sm Eu Gd 91 Pa 8 Al 6 15 ( 243 ) ( 247 9 ( 247 ) ( 289 ) 66 67 Dy Ho 162.500 98 Cf ( 251 ) 164.93032 99 Er Tm Yb 167.259 100 168.93421 101 173.04 102 Es Fm Md No ( 252 ) ( 257 ) ( 258 ) ( 259 ) Lu 174.967 103 Lr ( 262 ) Metaloides o semimetales Haciendo ConCiencia Metales o no metales Ahora, vamos a clasificar los siguientes elementos como metales o no metales: C, Mg, Ca, S. Necesitas: • Un trocito de cada uno de los elementos anteriores • Óxido de calcio y de magnesio (de estas dos sustancias sólo necesitas la punta de la espátula) • 1 cable eléctrico delgado • 1 pila de 9 volts • 1 LED (recuerda que usamos algunos anteriormente, puedes usar el mismo) • 1 popote • 1 matraz Erlenmeyer • 1 cucharilla de combustión • 1 varilla de vidrio • 1 franela húmeda • 1 soporte universal • Pinzas • Mechero Bunsen • Papel pH E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:112 6/30/06 3:21:04 AM Procedimiento: 1. Observa y registra la apariencia de cada uno de los elementos. 2. Conecta el cable a la pila, al LED y a cada elemento. Esto te servirá para saber si conducen o no la electricidad. 3. Pon en contacto los elementos con un objeto caliente e investiga si conducen calor. 4. Presiona un trozo de los elementos hasta que se deforme o se rompa. 5. Mezcla un poco de óxido de calcio en agua y pide a tu profesor que te enseñe a usar el papel pH y mide el pH de la solución. 6. Repite el paso anterior con el óxido de magnesio. 7. Con ayuda de un popote burbujea con la boca un poco de agua y mide el pH de la solución. 8. Pon una cantidad muy pequeña de azufre en la cucharilla de combustión y colócala en la llama del mechero hasta que se inicie la combustión; de inmediato introdúcela en el matraz erlenmeyer donde previamente has puesto 50 mililitros de agua y tapa la boca del matraz con la franela húmeda. Agita el matraz para que los gases de la combustión se disuelvan en el agua. Mide el pH de esta solución. Anota tus observaciones en esta matriz de clasificación: Carbono Magnesio Calcio Azufre Apariencia ¿Conduce la electricidad? ¿Es buen conductor de calor? ¿Es maleable? ¿La reacción de su óxido en el agua produce ácido o base? Explica las diferencias que encontraste entre: Carbono y magnesio Carbono y azufre Carbono y calcio Magnesio y azufre Magnesio y calcio Calcio y azufre E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:113 6/30/06 3:21:05 AM ¿Cuáles son metales y cuáles son no metales? La reacción de los óxidos metálicos en agua produce . La reacción de los óxidos no metálicos en agua produce . 2.4.4 Reactividad y propiedades periódicas La reactividad química, como ya hemos visto, es uno de los factores que se consideraron para la organización de los elementos en la tabla periódica. ¿La reactividad de los elementos puede relacionarse con su posición en la tabla periódica? Para que tú mismo lo descubras, necesitas lo siguiente: • 5 tubos de ensayo • Un trozo pequeño de: sodio (pide a tu profesor que te ayude a manejarlo), magnesio y aluminio • 1 ml de ácido clorhídrico concentrado • Una pipeta • Un mechero Bunsen • Indicador universal o papel pH 1. Coloca cada elemento en cada uno de los tubos de ensayo. 2. Con mucho cuidado, añade a cada uno de los tubos 1 ml de agua. 3. Anota con cuál o cuáles elementos ocurre la reacción química y cómo lo sabes. 4. Enciende el mechero y calienta con cuidado los tubos en donde no haya ocurrido la reacción química. 5. Anota con cuál o cuáles elementos sucede la reacción química al calentar. 6. Pide a tu profesor que te ayude a medir el pH de la solución resultante. 7. Elimina el agua de los tubos donde no se haya efectuado la reacción todavía y añade el ácido clorhídrico. ¿El gas que se desprende es un elemento o un compuesto? . ¿Cómo se llama? . Ordena los elementos que usaste de mayor a menor reactividad. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:114 6/30/06 3:21:06 AM ¿Puedes decir algo de la reactividad de los elementos químicos según su posición en la tabla periódica? Propiedades periódicas de los elementos Radios atómicos El radio de un átomo se mide como la mitad de la distancia entre los núcleos de una molécula. Ejemplo: para la molécula de cloro (Cl2). r r Molécula de cloro (Cl2) • Carga nuclear efectiva (zeff). Es la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de la capa externa considerando que los electrones de las capas internas están ejerciendo un efecto de apantallamiento o escudo. • Carga nuclear real (z). Es la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de la capa externa considerando que no hay electrones en las capas internas ejerciendo un efecto de apantallamiento o escudo. • Efecto de pantalla o escudo. Los electrones de las capas internas ejercen una función de pantalla o escudo protegiendo a los electrones de las capas externas de la atracción que ejerce el núcleo. La carga nuclear efectiva experimentada por un electrón en un nivel externo de energía es menor que la carga nuclear real (Z) debido al efecto de pantalla. • Comportamiento del radio atómico en un grupo. En un grupo de elementos representativos los radios atómicos aumentan de arriba hacia abajo conforme se añaden electrones a los niveles de energía superiores. • Comportamiento del radio atómico en un periodo. Cuando nos movemos de derecha a izquierda en un periodo los radios atómicos de los elementos representativos aumentan. Energía de ionización (Ei). También llamada potencial de ionización, se define como la mínima cantidad de energía necesaria para separar el electrón de un átomo unido con menor fuerza, para formar un ión con carga positiva (1) o catión. Existen diferentes energías de ionización según el número de electrón que se separa. • Primera energía de ionización (EI1). Es la cantidad de energía necesaria para separar el primer electrón. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:115 6/30/06 3:21:06 AM • Segunda energía de ionización (EI2). Es la cantidad de energía necesaria para separar el segundo electrón. • Tercera energía de ionización (EI3). Es la cantidad de energía necesaria para separar el tercer electrón. • N-ésima energía de ionización (EIn). Es la cantidad de energía necesaria para separar el n-ésimo electrón. • E3 E2 E2 E. Siempre es más difícil separar un electrón de un ión cargado positivamente que del correspondiente átomo neutro. • Los elementos con energías de ionización bajas pierden electrones fácilmente para formar cationes. • Comportamiento de la energía de ionización en un grupo. La energía de ionización aumenta de abajo hacia arriba en un grupo de la tabla periódica. • Comportamiento de la energía de ionización en un periodo. La energía de ionización aumenta de izquierda a derecha en un periodo de la tabla periódica. Afinidad electrónica (Ea) • Es la cantidad de energía absorbida cuando se añade un electrón a un átomo aislado para formar un ión con carga negativa (1) o anión. • Los elementos con afinidades electrónicas muy grandes ganan electrones fácilmente para formar iones negativos (aniones). • Comportamiento de la afinidad electrónica en un grupo. La afinidad electrónica aumenta de abajo hacia arriba en un grupo de la tabla periódica. • Comportamiento de la afinidad electrónica en un periodo. La afinidad electrónica aumenta de izquierda a derecha en un periodo de la tabla periódica (excluyendo a los gases nobles). Radios iónicos (ri) • Los iones simples cargados positivamente (cationes) son siempre más pequeños que los átomos neutros de los que se forman. Ejemplo: el litio y el catión litio. Li r 1.52 A° E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:116 Li r 0.60 A° 6/30/06 3:21:07 AM • Los iones simples cargados negativamente (aniones) son siempre más grandes que los átomos neutros de los que se forman. Ejemplo: el flúor y el anión flúor. F F⫺ r ⫽ 0.64 A° r ⫽ 1.36 A° • Comportamiento del radio iónico en un grupo. El radio iónico aumenta de arriba hacia abajo en un grupo de la tabla periódica. • Comportamiento del radio iónico en un periodo. El radio iónico aumenta de derecha a izquierda en un periodo de la tabla periódica. Electronegatividad (x) • La electronegatividad (EN) de un elemento es una medida de la tendencia relativa de un átomo a atraer los electrones cuando está químicamente combinado con otro átomo. • Los elementos con altas electronegatividades (no metales) a menudo ganan electrones para formar aniones. • Con frecuencia, los elementos con bajas electronegatividades (metales) pierden electrones para formar cationes. • El elemento más electronegativo es el flúor. • El segundo elemento más electronegativo es el oxígeno. • Comportamiento de la electronegatividad en un grupo. La electronegatividad aumenta de abajo hacia arriba en un grupo de la tabla periódica. • Comportamiento de la electronegatividad en un periodo. La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en un periodo de la tabla periódica. Resumen E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:117 6/30/06 6:53:22 AM E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:118 6/30/06 3:21:38 AM ( ,ITIO ,I "ERILIO "E )) ! + 3R 3C !CTINIO !C ,ANTANO ,A 9 )TRIO %SCANDIO 4I :R ? 3ERIE DEL !CTINIO 2UTHERFORDIO 2F ? (AFNIO (F :IRCONIO 4ITANIO ? 3ERIE DEL ,ANTANO 2ADIO 2A "ARIO "A %STRONCIO #ALCIO )6 " ))) " !UMENTA EN ESTE SENTIDO EL RADIO ATØMICO &RANCIO &R #ESIO #S 2UBIDIO 2B 0OTASIO #A -AGNESIO 3ODIO .A -G (IDRØGENO ? -OLIBDENO ? 4UNGSTENO ? ? .IOBIO ? 4ORIO ? 2E 4C "OHRIO ? (ASSIO (S /SMIO /S 2U ? 2UTENIO ? (IERRO &E "LOQUE $ ? -T ? -EITNERIO )R 2ODIO ? ? )RIDIO 2H #OBALTO ? #O 6))) " ? ? )" ? #OBRE ? 0ROTACTINIO 0RASEODIMIO ? 5RANIO 5 .EODIMIO ? .EPTUNIO .P 0ROMETIO ? 0LUTONIO )) " :INC :N 0T ? ? !MERICIO %UROPIO ? ? #URIO 'ADOLINIO ? "ERKELIO 4ERBIO 4B ? 5NUNBIO -ERCURIO "LOQUE & 2OENTGENIUM /RO #ADMIO !U (G 0LATA # ? ? 3ILICIO 3I #ARBONO ? 5NUNQUADIO 0LOMO ? 0B %STA×O 3N 'ERMANIO ? #ALIFORNIO #F $ISPROSIO 0 ? ? 6) ! / ? 3 ? 3B ? ? %RBIO %R 5NUNPENTIO "ISMUTO "I !NTIMONIO ? ? ? ? ? ? ? ? ) ? ? ? 4ULIO ? ? ? )TERBIO 5NUNSEPTIO !STATO !T 9ODO ? "ROMO "R #LORO #L &LÞOR & 6)) ! 4M 9B 5NUNHEXIO 0OLONIO 0O 4ELURIO 4E 3ELENIO !ZUFRE /XÓGENO !S 3E ? !RSÏNICO &ØSFORO . ? ? .ITRØGENO 6! %INSTENIO &ERMIO -ENDELEVIO .OBELIO %S &M -D .O (OLMIO $Y (O 5NUNUTNIO 4ALIO 4L )NDIO )N 'ALIO 'A 'E !LUMINIO !L " "ORO )6 ! ,AURENCIO ,R ,UTECIO ,U 5NUNOCTIO 2ADØN 2N ? 8ENØN 8E ? #RIPTØN +R !RGØN !R .EØN .E (ELIO (E $S 2G 5UB 5UT 5UQ 5UP 5UH 5US 5UO $ARMSTADIO 0LATINO 0ALADIO 0U !M #M "K 3AMARIO #U 0D !G #D .IQUEL .I 0R .D 0M 3M %U 'D 3EABORGIO 3G "H 7 4H 0A ? #ERIO #E $UBNIO $B 4ANTALIO 4A .B -O #ROMO ? -ANGANESO ? 4ECNECIO 2ENIO ? 6)) " #R -N 6ANADIO 6 6) ? ? 6" ))) ! "LOQUE 0 "LOQUE 3 6))) ! 4ABLA 0ERIØDICA DE LOS %LEMENTOS )! "LOQUE 3 !UMENTAN EN ESTE SENTIDO LA ELECTRONEGATIVIDAD AFINIDAD ELECTRØNICA ENERGÓA DE IONIZACIØN Evalúate y aplica tus conocimientos Elige la opción correcta: 1. Las primeras clasificaciones periódicas ordenaban los elementos con base en: aa) Su masa b) Su número atómico b cc) Su fecha de descubrimiento 2. Mendeléiev usó en su clasificación la valencia de los elementos por medio de: aa) El color que tenían b) El tipo de óxidos que formaban b cc) Su característica metálica 3. Esta propiedad periódica aumenta en la tabla de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba aa) Radio atómico b) Masa atómica b cc) Electronegatividad 4. ¿Qué diferencia hay entre la afinidad electrónica y la electronegatividad? 5. Resume las diferencias entre metales y no metales en un mapa conceptual. E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:119 6/30/06 3:21:41 AM E0319-Unidad 2.4.indd Sec1:120 6/30/06 3:21:41 AM E0319-Unidad 3.indd 121 6/30/06 5:58:09 AM La unión hace la fuerza: el concepto de enlace Lo que vamos a estudiar 3.1 E0319-Unidad 3.indd 122 Sustancias iónicas, covalentes y metálicas 6/30/06 5:58:16 AM ¡Activa tus ideas! ¿Sabes que si le agreg gas sal a la mezcla con que tiñe ñes la ropa el color será máss duradero? ¿Qué tiene quee ve ver esto con la química? Hay materiales que son on buenos conductores de la ele electricidad. ¿Esto tendrá algo go que ver con su estructura ra q química? E0319-Unidad 3.indd 123 6/30/06 5:58:22 AM 3.1 Sustancias iónicas, covalentes y metálicas Un enlace es resultado de las interacciones que mantienen unidos a dos átomos. Un enlace químico es el resultado de la interacción eléctrica entre los núcleos y los electrones de los átomos. Esta interacción consta de tres partes: la repulsión entre los núcleos (positivos), la repulsión entre los electrones (negativos) y la atracción entre núcleos y electrones. Si los electrones y los núcleos se acomodan en el espacio de tal manera que las atracciones predominen sobre las repulsiones, entonces todas las partículas subatómicas quedan enlazadas y se dice que hay un enlace químico. Un arreglo típico en el que predominan las atracciones sobre las repulsiones es cuando dos núcleos quedan inmersos en el dominio de un par de electrones. Como puedes ver, hay cuatro atracciones (las aristas del dibujo) contra sólo dos repulsiones (las diagonales del esquema). E Cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen. P P E En el esquema anterior —producto del trabajo de los científicos— se conocen la distancia entre los dos núcleos y la región en la que se mueven los dos electrones (sombreado en azul). Sin embargo, no se sabe su posición exacta, ni cómo se mueven en dicha región. El enlace como un juego + + + + Núcleo + + + E0319-Unidad 3.indd 124 + + + + + + + Imagina al enlace químico como un juego en donde los jugadores son los núcleos y el balón... ¡adivinaste!, un pequeño paquete de dos electrones. En este juego gana quien se quede con el balón; todos los núcleos tratan de apoderarse de él y como siempre, gana el más fuerte. La fuerza de los núcleos depende de la combinación de su tamaño y de la cantidad de cargas positivas que tengan (uno muy pequeño, pero con mucha carga, puede ser más fuerte que uno grande con escasa carga). Si dos jugadores de fuerzas muy similares se encuentran, ambos se quedan unidos al balón, o sea, a los electrones, y forman una nueva especie quíElectrones mica llamada molécula. Si te das cuenta, cada jugador quisiera el balón para él solo, pero como no se lo puede quitar al otro, pues ninguno lo suelta. Si el balón está en juego entre dos competidores de fuerzas muy diferentes, el más fuerte lo retendrá, pero el otro intentará arrebatárselo continuamente. Como + quien dice, nunca se da por vencido. + + + + + + + + Si en lugar de dos jugadores hay 100 (por decir algo), 50 con balón y 50 + sin él, la analogía es más ilustrativa: los que no tienen balón se acomodan Núcleo de tal modo que todos sus vecinos tengan balón. En el arreglo más simple, habría un jugador con balón seguido de otro sin balón y luego otro “con” y el que sigue “sin”, etcétera. + Otra posibilidad sería la del mundo de los pobres: Si tenemos 100 juga+ + + + + + + dores pero sólo 10 balones, entonces, cada vez que alguien tiene un balón, + + inmediatamente es rodeado por alguno de los otros nueve que no lo tienen 6/30/06 5:58:30 AM para tratar de quitárselo. En este caso, si todos los jugadores tienen la misma fuerza, cada balón pasa por todos ellos; en consecuencia, los competidores permanecen unidos por esos pocos balones que hay que compartir. Si observas con atención, hay un fenómeno único: la atracción de los jugadores por los balones, y si tuvieran carga eléctrica, las repulsiones jugador-jugador y balón-balón. Las diferencias de los arreglos son de cantidad, pero no de tipo. ¿Qué hace que unas sustancias sean iónicas, covalentes y metálicas? Encuentra en el texto el tipo de arreglo que corresponde a las sustancias iónicas, covalentes y metálicas, y subráyalo con diferentes colores. Enseguida, discútelo con tu grupo y prepara una exposición que explique claramente las interacciones que dan origen al enlace químico y las diferentes sustancias. Clasificación de las sustancias según su conductividad Un ión es una especie con carga. Mononuclear: especie de un solo núcleo. Polinuclear: especie de varios núcleos. Antes de tener un modelo de enlace químico, los científicos tuvieron la necesidad de clasificar las sustancias de acuerdo con sus propiedades. Conductividad eléctrica en solución acuosa (o en estado líquido a altas temperaturas). Esta propiedad permite clasificar a las sustancias en iónicas o covalentes. Las sustancias iónicas no conducen la electricidad en estado sólido; sin embargo, la mayoría de ellas la conducen en solución acuosa. No todas las sustancias iónicas se disuelven en agua, en cuyo caso no se puede determinar si conducen la electricidad en solución acuosa o no. Lo que sí se cumple siempre es que todas las sustancias iónicas conducen la electricidad en estado líquido. Claro que para fundirlas se requiere elevar la temperatura cientos de grados por encima de las condiciones ambientales. El comportamiento de las sustancias iónicas se debe a la presencia de iones —moléculas mononucleares o polinucleares con carga eléctrica— que, en solución acuosa o en estado líquido, pueden moverse para transportar la electricidad. Observa que ninguna sustancia covalente es iónica; es decir, las metálicas, las covalentes moleculares, así como las covalentes no moleculares son covalentes. I Iónico ⫽ metálico ⫽ iónico ⫽ Covalente molecular CNM ⫽ Covalente no molecular -ET -ETÈLICO Met I CM ) CM Covalente Met CNM .O METÈLICO #.- #- Conductividad eléctrica en estado sólido (o líquido) bajo condiciones ambientales. Esta propiedad permite clasificar a las sustancias en metálicas o no metálicas. Las sustancias metálicas conducen la electricidad en estado sólido (excepto el mercurio, todos los metales son sólidos bajo condiciones ambientales). Esto se debe a que la atracción entre los núcleos metálicos y el “mar de electrones” no es lo suficientemente fuerte, para impedir que los electrones se muevan bajo una diferencia de voltaje eléctrico. Las sustancias no metálicas son las covalentes moleculares, las iónicas y las covalentes no moleculares. Los enlaces de estas sustancias, impiden el movimiento de los electrones aun con un cambio de voltaje. E0319-Unidad 3.indd 125 6/30/06 5:58:34 AM Bajos puntos de fusión. Esta propiedad permite separar las sustancias en moleculares y no moleculares. Las sustancias moleculares suelen tener puntos bajos de fusión y de ebullición. Esto se debe a que están formadas por moléculas que casi no interactúan entre sí, es decir, moléculas sueltas o independientes. A las sustancias formadas por redes gigantescas de moléculas, átomos o iones se les llama no moleculares. #- ⫽ metálico ⫽ iónico ⫽ Covalente molecular CNM ⫽ Covalente no molecular Met I CM #.- .O MOLECULAR ) -ET Piensa y explica Sustancias extraterrestres En el año 2016, por primera ocasión en la historia, México ha enviado una misión espacial a Europa, la luna más interesante de Júpiter. Y tú formas parte del equipo, pues eres el químico de la expedición. Al descender sobre Europa, los astronautas encuentran las ruinas de una ciudad similar a las existentes en la Tierra durante el siglo XX. Uno de los edificios menos dañados es un laboratorio químico. Afortunadamente, el inmueble está prácticamente intacto. Allí encuentran una enorme cantidad de sustancias aparentemente creadas por los nativos de Europa en dicho laboratorio. En una de las gavetas descubren el inventario de las sustancias, escrito en lenguaje extraterrestre, con su nombre y con unas cuantas características de cada una de ellas. Luego de descifrar el documento te entregan una hoja donde aparecen los datos de las primeras seis sustancias. Tu labor es aplicar tus conocimientos para clasificar las sustancias extraterrestres. Nombre Conductividad Conductividad Conductividad eléctrica en eléctrica en eléctrica en estado sólido solución acuosa estado líquido Temperatura de fusión Agniuro sí no sí Alta Centaurita no no no Alta Galaxina no no no Baja Inarol no no sí Alta Meraquio no sí sí Alta Rigelina sí no sí Baja Clasificación Conclusión: E0319-Unidad 3.indd 126 6/30/06 5:58:35 AM A continuación se muestra un esquema que conduce a la clasificación de sustancias a partir de la dicotomía iónico-covalente. Bajo p.f. ac liq Covalente molecular Metálica Covalente no molecular Iónica % C.I. Síí No bajo p. f. ⫽ funde a baja temperatura ac ⫽ conduce la electricidad en solución acuosa ⫽ conduce la electricidad bajo condiciones ambientales liq ⫽ conduce la electricidad, una vez fundido Haciendo ConCiencia Utiliza el diagrama de flujo de arriba para clasificar en el laboratorio las siguientes sustancias: acetato de sodio azúcar benzofenona cloruro de sodio cobre hidróxido de calcio hierro sílice E0319-Unidad 3.indd 127 6/30/06 5:58:37 AM Pistas: 1. Determina el punto de fusión de cada sustancia. Si no cuentas con un aparato para determinar el punto de fusión, busca los datos en la bibliografía. 2. Verifica la conductividad eléctrica de cada sustancia a temperatura ambiente. 3. Verifica la conductividad eléctrica de cada sustancia en solución acuosa. 4. Plantea la necesidad de realizar otro experimento para clasificar adecuadamente cada sustancia. Si SiCL 4 co táli te len va Co P4 PCL 3 Al ALCL 3 Mg MgCL 2 NaCL Iónico S8 Me Co va len te Ión ico Covalente Cl 2 Cl2 S2Cl 2 Na NaCL Na 3 P NaAL Na Na2 S NaSi Na Mg Metálico Todos los enlaces que ocurren en la naturaleza se sitúan en algún lugar entre estas tres situaciones extremas, como se puede apreciar en la figura para varias sustancias que contienen elementos del tercer periodo de la tabla periódica. En cada arista, el enlace en los compuestos de cada elemento del tercer periodo con cloro muestra un cambio gradual desde un extremo hasta el otro. Metálico Iónico Resumen Sustancias I Iónicas C Covalentes No metálicas Metálicas Moleculares E0319-Unidad 3.indd 128 Covalentes no moleculares 6/30/06 5:58:38 AM Evalúate y aplica tus conocimientos Usa lo que has aprendido para elegir la opción correcta. Falso Verdadero Todas las sustancias iónicas se disuelven en agua. Todas las sustancias orgánicas son covalentes. Los metales no son covalentes. Todas las sustancias metálicas son sustancias elementales. Las aleaciones metálicas no son una sola sustancia. Todas las sustancias covalentes son insolubles en agua. Todas las sustancias covalentes son moleculares. Todas las sustancias no moleculares son covalentes. Todos los metales son sólidos a temperatura ambiente (T amb). Todos los sólidos son covalentes no moleculares. Todas las sustancias iónicas son sólidas a (T amb). Todas las sustancias covalentes no moleculares son sólidas a (T amb). Ninguna sustancia covalente molecular es sólida a (T amb). Todas las sustancias inorgánicas son iónicas. Las sustancias no moleculares son exclusivamente las iónicas y las metálicas. E0319-Unidad 3.indd 129 6/30/06 5:58:40 AM El modelo de enlace iónico Lo que vamos a estudiar 3.2 El modelo de enlace iónico 3.2.1 Lewis y la regla del octeto 3.2.2 Estructuras de Lewis 3.2.3 Formación de iones y las propiedades periódicas 3.2.4 Otras propiedades de los compuestos iónicos E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:130 6/30/06 6:05:39 AM ¡Activa tus ideas! ¿Sabías que un mon onolito es una piedra de una a sola pieza y una de las más ás grandes está en Río de Jan Janeiro, Brasil? ¿Sabías que el colorr de los cristales de una es esmeralda están dados por cier ertas impurezas que contiene ene en cantidades específi ficas cas? E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:131 6/30/06 6:05:44 AM 3.2 El modelo de enlace iónico El agua es un mal conductor de la electricidad; sin embargo, todos los aparatos eléctricos muestran una leyenda de advertencia. ¿Por qué puedes electrocutarte? Existen estructuras químicas en las que muchos millones de iones de carga opuesta interactúan eléctricamente. A las sustancias con este tipo de estructura se les llama iónicas. El modelo de enlace que explica sus propiedades es el iónico. Entonces, en un enlace la interacción entre las cargas cumple con la ecuación de Coulomb que se estudia en física F= kQ Q1Q2 r2 3.1 donde k es la constante de proporcionalidad y es igual a 9E9 Jm/C2, Q1 y Q2 son las cargas y r es la distancia entre partículas. La ley de Coulomb establece que la energía potencial que resulta de la interacción de dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Conexión al mundo El ejemplo que todos conocemos de compuesto iónico es el formado por el ión cloruro y el ión sodio; el sodio es un metal de color plateado que reacciona violentamente con el agua; el cloro es un gas verde muy venenoso. Cuando los iones de estos elementos químicos se enlazan forman un compuesto inofensivo que ingerimos todos los días: cloruro de sodio. Ahora, investiga el nombre, la fórmula y las propiedades de otro compuesto iónico que sea útil e importante en tu vida diaria. La interacción entre iones positivos y negativos da origen a las denominadas sustancias iónicas. Un compuesto siempre es eléctricamente neutro. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:132 6/30/06 6:05:52 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13369 Los electrones de valencia Para que una especie neutra sea iónica debe ganar o perder electrones. Si la especie tiene más electrones que protones, será un anión. Si tiene menos electrones que protones es un catión. En la segunda unidad revisamos el concepto de valencia y analizamos la forma en que Mendeléiev lo utilizó para organizar los elementos en la tabla periódica. Originalmente, la valencia indicaba con cuántos átomos podría combinarse un elemento para dar lugar a un compuesto. El concepto de valencia ha sufrido muchos cambios a lo largo de la historia y en la actualidad coexisten diversas definiciones. Investiga y escribe aquí las que encuentres: Piensa y explica Observa detenidamente el siguiente esquema. Discute con tu grupo a qué definición de electrones de valencia corresponde el modelo. A Li (He) 2s1 F (He) 2s22p5 Li 1s2 (o [He]) F (He) 2s22p5 (o [He]) B Li F Li F 1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 1s 2s 2p Li F Li F C 2p 3.2.1 Lewis y la regla del octeto Los electrones de valencia son los más externos de un átomo. Asimismo, son los responsables de los enlaces químicos. El que los gases nobles tengan su última capa electrónica llena, les confiere una gran estabilidad. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:133 El esquema anterior representa un modelo simple propuesto por el químico estadounidense Gilbert Newton Lewis y el físico alemán Walter Kossel. El modelo simboliza los electrones externos, o electrones de valencia, como puntos. Para entender más sobre este modelo analizaremos el trabajo original: The Atom and the Molecule; Journal of the American Chemical Society, V 38, 1916, páginas 762-786. Lewis propone la teoría del átomo cúbico, a la cual representa de la siguiente manera: Li Be B C N O F Observa que los círculos representan los electrones de valencia de cada átomo neutro. Nota que todos los elementos que Lewis y Kossel utilizan para su modelo son representativos. 6/30/06 6:07:07 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13370 Piensa y explica Ubica en la tabla periódica a cada uno de los elementos incluidos en el esquema del artículo. Discute con tus compañeros sobre la relación que existe entre la posición de esos elementos en la tabla y sus electrones de valencia. Ocho por ocho Para ambos científicos, al combinarse con otros, los átomos tienden a alcanzar en su última capa electrónica ocho electrones. ¡Exacto! Es el número de electrones de valencia de los gases nobles. A C B Según el modelo, representado por la parte central del cubo, cada átomo queda rodeado por ocho círculos. 3.2.2 Estructuras de Lewis Las estructuras de Lewis consisten en representar el núcleo del átomo y los electrones internos con el símbolo del elemento, y los electrones de valencia con puntos alrededor de éste. A continuación se muestra una tabla con algunos elementos y su correspondiente representación simbólica de Lewis. IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA Li Be B C N O F Ne Na Mg N Si P S Cl N K Ca H Haciendo ConCiencia Para hacer estructuras de Lewis toma en cuenta los siguientes puntos: a) Los enlaces están compuestos por pares de electrones. b) No todos los átomos siguen la regla de Lewis. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:134 6/30/06 6:07:12 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13371 c) Dibuja primero los enlaces sencillos antes de buscar los enlaces dobles o triples. d) Es posible que haya más de una forma correcta de escribir una molécula con estructuras de Lewis. e) Como en todo, la práctica hace al maestro. Piensa y explica Empecemos poco a poco: dibuja los electrones de valencia correspondientes a la capa de valencia de los siguientes elementos, según las estructuras de Lewis: Br P S Al C O Mg Si Cl Na Ar Li Ahora generalicemos, completa la siguiente tabla: Familia química Núm. de electrones Estructura general de valencia de Lewis Metales alcalinos o grupo I A 1 Metales alcalinotérreos o grupo II A 2 Familia 13 o grupo III A 3 Familia del carbono o grupo IV A 4 Familia del nitrógeno o grupo V A 5 Familia 16 o grupo VI A 6 Halógenos o grupo VII A 7 Gases nobles o grupo VIII A 8 Ejemplo 3.1 De esta forma, podemos empezar con algunos ejemplos. 1) CO2 E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:135 Dióxido de carbono: 6/30/06 6:07:14 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13372 Dibujamos los átomos involucrados en el compuesto con su simbología de Lewis: O C O Orientamos los electrones para que formen el enlace: O C O Finalmente, unimos los electrones de enlace formados por pares de electrones y los dibujamos como líneas: OⴝCⴝO Ejemplo 3.2 N2 nitrógeno molecular N NⴝN N Ejemplo 3.3 O2 oxígeno molecular O O En los siguientes ejemplos, no todos los átomos cumplen con la regla del octeto. Ejemplo 3.4 CH2ClF Cl H C F H Ejemplo 3.5 H3PO4 O H O P O H O H Nota: Dado que el fósforo es pentavalente, tiene que formar un doble enlace con alguno de los oxígenos. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:136 6/30/06 6:07:15 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13373 Ejemplo 3.6 (SCN)2 N C S S C N ¡Ahora tú! 1) (CN)2 2) HCOOH 3) CH3CHO Piensa y explica ¿Por qué crees que los químicos dicen que los electrones de valencia son los principales responsables del enlace químico? Discútelo con tu grupo y tu profesor y anota aquí sus conclusiones. El número atómico está determinado por el número de protones del átomo. ¡El número de protones nunca se modifica! Completa el siguiente cuadro comparativo: Ión Núm. de protones Núm. de electrones ¿Cuántos electrones ganó o perdió? Gas noble al que se parece Na 11 10 Perdió 1 Neón Mg2 12 Perdió 2 O2 Ganó 2 Cl E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:137 18 35 36 15 18 Rb 36 I 54 Ganó 1 Argón Perdió 1 Kriptón 6/30/06 6:07:17 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13374 3.2.3 Formación de iones y las propiedades periódicas Como ya mencionamos antes, la regla del octeto se basa en la tesis de que una estructura molecular es mucho más estable cuando cada átomo tiene alrededor de ocho electrones. Mientras Kossel se refiere a la formación de iones para completar el octeto, Lewis abre la posibilidad de que los átomos compartan electrones. Por esta razón, a Kossel se le conoce como el padre del enlace iónico y a Lewis como el del enlace covalente. ¿Por qué un átomo pierde electrones con tanta facilidad en relación con otro? ¿Por qué se dice que los no metales tienen mayor facilidad para formar aniones? Si echas un vistazo a la unidad anterior, dentro de las propiedades periódicas encontrarás una en particular que explica esta tendencia. ¡Exacto! Hablamos de la electronegatividad. Decrece el tamaño atómico Aumenta la energía de ionización Aumenta la electronegatividad Decrece la electronegatividad Decrece la energía de ionización Aumenta el tamaño atómico La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer los electrones en un enlace. Tendencia de las propiedades periódicas. Piensa y explica Figúrate que haces reaccionar un metal del tercer periodo, por ejemplo el sodio, con un no metal del mismo periodo; digamos el cloro. Dado que el sodio tiene una menor electronegatividad que el cloro, éste formará el anión Cl el sodio, el catión Na ¿Na y Cl son especies isoelectrónicas? Cl Na 0.97 Å 1.81 Å Explica brevemente por qué Cl tiene un mayor radio iónico que Na. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:138 6/30/06 6:07:19 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13375 ¿Qué diferencia habría en el tamaño del catión si ahora haces reaccionar al cloro con otro metal, con el rubidio por ejemplo? Cl Rb 1.47 Å La fuerza de una interacción electrostática está dada por la ecuación de Coulomb. F= KQ1Q2 d2 1.81 Å ¿Qué interacción será más fuerte? Explica con claridad. Cl Cl Na Rb d1 d2 d1 dr2 3.2.4 Otras propiedades de los compuestos iónicos Como seguramente ya lo has descubierto, el enlace iónico es más fuerte para compuestos que tengan iones de cargas elevadas y un tamaño pequeño. Cuando muchos de estos iones se acomodan en una estructura; la atracción entre los iones de cargas diferentes vence a la repulsión de iones con cargas iguales, formando así un enlace iónico fuerte y multidireccional. Todos los compuestos iónicos forman sales. El arreglo de estos iones está dado por lo que se conoce como celdas unitarias; éstas son un acomodo específico para cada ión. Por ejemplo, si te fijas bien en un grano de sal, éste tiene la forma de un cubo. Existen diferentes tipos de arreglos cristalinos para los compuestos iónicos. a En la estructura del NaCl cada átomo de sodio está rodeado por seis átomos de cloro y viceversa E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:139 6/30/06 6:07:21 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13376 Conexión al mundo Los iones tienen una función central, no sólo en química, sino también en biología. El movimiento de iones es fundamental para los latidos del corazón, para la contracción muscular y para determinar el tamaño de muchas células. En particular, las señales eléctricas mediante las cuales se comunican las neuronas son originadas por movimientos de iones. Los iones fundamentales para la propagación de señales eléctricas en el cerebro son sodio, potasio, cloruro y calcio. Neurona Resumen Los símbolos o estructuras de Lewis son la representación de los electrones de valencia de un átomo. La regla que por lo general siguen los átomos para compartir sus electrones de valencia es la regla del octeto, la cual es un intento de aproximación a la configuración electrónica de un gas noble. ESTRUCTURAS DE LEWIS Y REGLA DEL OCTETO ENLACE IÓNICO Definición: Es la unión de dos o más átomos cuando se da la transferencia de electrones de un metal a un no metal para formar iones, los cuales se unen principalmente por interacciones electrostáticas. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:140 Las propiedades principales que nos ayudan a elucidar las características del enlace iónico son: electronegatividad, energía de ionización y tamaño atómico. Propiedades periódicas 6/30/06 6:59:33 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13377 Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Explica con base en las propiedades periódicas cuál de los siguientes compuestos tiene el punto de fusión más alto. NaF, NaCl, NaBr, NaI DATOS: NaF tiene un punto de fusión de 993º C NaCl tiene un punto de fusión de 801º C NaBr tiene un punto de fusión de 753º C NaI tiene un punto de fusión de 662º C 2. ¿Qué fuerza de interacción será más fuerte? ¿La del ión Ca2 con F o con I ? Justifica con cálculos. 3. ¿Qué relación crees que tiene la electronegatividad de las sustancias iónicas con la fuerza del enlace? 4. Escribe tres sustancias iónicas que uses en tu vida cotidiana. E0319-Unidad 3.2.indd Sec1:141 6/30/06 6:07:27 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13378 El modelo de enlace covalente H (a) Lo que vamos a estudiar 109.5 0 C H 3.3 H El modelo de enlace covalente 3.3.1 Electronegatividad y tipos de enlace 3.3.2 Geometría molecular y polaridad H (b) 109.5 0 (c) E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:142 6/30/06 6:28:40 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13379 ¡Activa tus ideas! ¿Qué diferenciaa ob observas entre esta fotografía rafía y la de abajo? Bloque S 18 tido en este sen Aumentan egatividad. la electron trónica, afinidad elec zación. ioni de energía VIII-A Bloque S 13 B 2 4 Li 3 13 2 Bloque D Be Al 12 11 10 9 35 _2 4 _6 34 Ne Neón 20.1797 0 18 Ar Cl Cloro 35.453 0 10 -1 F Flúor 18.9984032 +_1 17 3 5 7 S Azufre 32.065 Fósforo 30.973761 +_3 5 33 Silicio 28.0855 Aluminio 26.981538 3 II-B 9 O Oxígeno 15.9994 +2 _4 _6 16 P Si -1 +_2 - 8 N Nitrógeno 14.0067 +_3 15 4 _5 4 14 +1 +- 2 +_3 _5 7 C Carbono 12.0107 Boro 10.811 II-A 2 +_4 - 6 3 5 +1 - H Hidrógeno 1.00794 1 3 IV-A III-A 1 I-A 1 1 Helio 4.002602 VII-A VI-A V-A He 17 16 15 14 0 2 Bloque P Argón 39.948 +_1 3 5 2 _4 6 36 Kr Br 32 As Se Ga Ge 54 53 52 51 I Xe 24 3 50 Fe 23 49 Sb Te 22 48 21 47 V Cr Mn In Sn 20 46 86 19 45 85 Sc Ti Ag Cd 44 84 Ca Pd 83 K Rh At Rn 42 4 82 Ru 41 81 Bi Po 40 80 Mo Tc 39 Pb 79 Nb Tl 38 78 118 37 Hg 77 117 Y Zr 76 116 Pt Au 75 115 Rb Sr 74 Uus Uuo 5 114 Os Ir 73 113 72 Uup Uuh 112 q W Re 57 Uu 111 t Ta 56 Uu 110 55 Uub 109 La Hf 108 Ds Rg 107 Cs Ba 106 6 Hs Mt 105 104 Sg Bh 89 Db 88 87 Ac Rf 71 Bloque F 70 Fr Ra 69 7 68 Yb Lu 67 66 Er Tm 65 64 Dy Ho 63 103 62 102 Gd Tb 61 101 Lr 60 100 Sm Eu 59 99 58 Md No 98 Nd Pm Fm 97 Pr 96 Ce Cf Es 95 Lantano 94 Cm Bk 93 Serie del 92 Pu Am 91 90 U Np Pa Th o atómico del Actinio 2 Berilio 9.012182 Litio 6.941 11 1 12 2 Sodio 22.989770 1 Calcio 40.078 Potasio 39.0983 2 1 Rubidio 85.4678 1 Cesio 132.90545 1 Francio ( 223 ) 3 _4 Zirconio 91.224 Itrio 88.90585 Estroncio 87.62 3 _4 3 2 2 Radio ( 226 ) 3 Actinio ( 227 ) Cromo 51.9961 2 3 4 5 _6 Molibdeno 2 3 4 5 _6 Tungsteno 183.84 Seaborgio ( 266 ) Dubnio ( 262 ) Cerio 140.116 3 E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:143 3 _4 Torio 232.0381 3 7 Praseodimio 140.90765 3 4 _5 Protactinio 231.03588 Rodio 102.90550 2 _3 _4 5 6 Iridio 192.217 2 2 _3 3 Samario 150.36 Prometio ( 145 ) Neodimio 144.-24 3 4 5 _6 Uranio 238.02891 Platino 195.078 3 4 _5 6 Neptunio ( 237 ) Aumentan 3 _4 5 6 Plutonio ( 244 ) 1 2 Roentgenium ( 272 ) Darmstadio ( 281 ) 2 _3 Europio 151.964 2 _3 4 5 6 Americio ( 243 ) _3 4 Gadolinio 157.25 _3 4 Terbio 158.92534 Curio ( 247 9 tido el radi en este sen _3 4 Berkelio ( 247 ) 2 _3 4 Disprosio 162.500 2 _3 Californio ( 251 ) Telurio 127.60 2 _4 3 Holmio 164.93032 _3 Einstenio ( 252 ) Erbio 167.259 2 _3 Fermio ( 257 ) 2 Radón ( 222 ) Ununoctio Ununseptio 2 _3 3 2 4 _6 8 Xenón 131.293 Astato ( 210 ) Ununhexio Ununpentio Criptón 83.796 +_1 5 7 Yodo 126.90447 +_1 5 Polonio ( 209 ) Bismuto 208.98038 Ununquadio ( 289 ) Ununutnio -2 _4 _6 Antimonio 121.760 +_3 5 Plomo 207.2 Talio 204.3833 Ununbio ( 285 ) 2 _3 2 _4 1 3 Mercurio 200.59 Oro 196.96655 Estaño 118.710 Indio 114.818 Cadmio 112.411 1 3 2 4 3 2 1 2 4 Bromo 79.904 Selenio 78.96 Arsénico 74.92160 +_3 5 Germanio 72.64 Galio 69.723 Zinc 65.409 Plata 107.8682 Paladio 106.42 Meitnerio ( 268 ) Hassio ( 277 ) Bohrio ( 264 ) 2 _3 4 _3 4 3 Serie Osmio 190.23 Renio 186.207 6 5 4 Rutherfordio ( 261 ) 2 3 4 5 6 _7 2 3 _4 5 6 Rutenio 101.07 3 _4 6 2 _4 31 Zn Cobre 63.546 Niquel 58.6934 _2 4 Cobalto 58.933200 2 _3 4 Hierro 55.845 2 30 Cu Ni Co 1 _2 29 _2 3 28 _2 3 27 2 3 26 Tecnecio ( 98 ) 95.94 Tantalio 180.9479 Hafnio 178.49 Lantano 138.9055 Bario 137.327 2 3 4 5 6 _7 Manganeso 54.938049 4 5 43 6 _7 25 2 3 -6 Vanadio 50.9415 _2 3 4 _5 Niobio 92.90638 4 _5 Titanio 47.867 Escandio 44.955910 3 VIII-B VII-B VI 2 _3 _4 5 2 3 _4 3 2 8 7 6 V-B IV-B III-B Magnesio 24.3050 5 4 3 Na Mg I-B Tulio 168.93421 3 Mendelevio ( 258 ) 2 _3 3 Lutecio 174.967 Iterbio 173.04 2 _3 Nobelio ( 259 ) 3 Laurencio ( 262 ) ¿Por qué crees quee la electronegatividad sigue ue la tendencia mostrada en la figura? 6/30/06 6:28:46 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13380 3.3 El modelo de enlace covalente Con frecuencia, es difícil entender las interacciones entre moléculas que no forman iones como el hidrógeno H2. Cuando dos átomos de hidrógeno se acercan, el protón de cada uno atrae al electrón del otro. Estas fuerzas atractivas mantienen muy cerca a los átomos; sin embargo, también existen fuerzas repulsivas entre los electrones y los protones de ambos átomos. Se le llama longitud de enlace a la distancia donde la fuerza de atracción es mayor que la fuerza de repulsión. +1 Las moléculas biatómicas homonucleares pueden explicarse con el modelo de enlace covalente H +1 H El modelo de enlace covalente Para saber si estas especies son iónicas o no, debemos conocer su conductividad. Si esta sustancia no conduce la electricidad en estado sólido, no es un metal. Si esta sustancia al fundirse no conduce, no es un compuesto iónico. En este tipo de enlace, la atracción entre los dos protones y los dos electrones es idéntica; es decir, ambos átomos comparten sus electrones. Esta interacción es conocida como enlace covalente. En este tipo de enlace, los átomos involucrados tienen una capacidad similar para atraer a los electrones del enlace. Como ya lo dijimos, si tenemos una sustancia sólida con un alto punto de fusión es posible suponer que está formada por una red tridimensional con enlaces multidireccionales entre las especies que la forman. El ejemplo más conocido de una red covalente es el diamante, en el cual cada átomo de carbono se encuentra unido a otros cuatro. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones en su capa de valencia, de manera que si sus cuatro vecinos comparten un electrón con él, todos completan el octeto. Conexión al mundo Además de ser diamante, el carbono elemental existe en otras formas que corresponden a diferentes arreglos entre sus átomos: grafito, carbón amorfo y fullereno. En el grafito, cuyo punto de fusión es semejante al del diamante, los átomos de carbono se encuentran dispuestos en capas de anillos hexagonales interconectados como se muestra en la figura de arriba. En este caso, cada átomo de carbono se encuentra unido a otros tres con una distancia corta de 1.42 A°, mientras que la distancia entre las capas es de 3.41°. Esta estructura de E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:144 6/30/06 6:28:55 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13381 capas es la que hace que el grafito —del que está hecha la punta de los lápices— — se deposite fácilmente sobre el papel o nuestros dedos, ya que las capas se deslizan fácilmente una sobre otra. Grafito Una molécula diatómica es aquella que está formada por dos átomos. Los gases nobles: helio, neón, argón, criptón, xenón, radón, se constituyen por átomos aislados porque no requieren compartir electrones entre dos o más átomos debido a que en su capa de valencia tienen ocho electrones, lo que les da su gran estabilidad e inercia. En cambio, otras sustancias elementales gaseosas siempre están formando moléculas diatómicas: F2, H2, O2, Cl2, I2, Br2. En los halógenos, cada átomo tiene siete electrones en su capa de valencia. Por ejemplo, si cada átomo de flúor comparte su electrón impar con otro átomo del mismo elemento, ambos tendrán ocho electrones a su alrededor y se habrá formado un enlace covalente con esos dos electrones que comparten ambos átomos. F F F F De igual manera puede plantearse el modelo de Lewis para explicar la formación de la molécula de oxígeno. O O O O o bien O O Para que cada uno de los dos átomos de oxígeno complete un octeto de electrones es necesario que compartan dos pares electrónicos. A esto se le conoce como doble enlace. Piensa y explica En el caso de la formación de enlaces múltiples, es posible tener también varias posibilidades para la estructura de Lewis. Observa las siguientes estructuras para el N2 y señala la correcta. N N N N N N ¿Cómo sabes que es la correcta? Sugiere un debate en tu grupo para discutir sus criterios. Anota aquí su conclusión. E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:145 6/30/06 6:29:00 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13382 Haciendo ConCiencia Método general para obtener estructuras de Lewis • Observa el tipo y el número de átomos que tiene el compuesto a partir de su fórmula química. • Determina el número de electrones de valencia que tiene cada átomo; para esto puedes utilizar su posición en la tabla periódica. Asimismo, con esta información conoces el número total de electrones de valencia que vas a utilizar para construir la estructura de puntos. • Dibuja una propuesta de esqueleto para el compuesto. Para ello une los átomos presentes con líneas rectas, las cuales representan pares de electrones compartidos, o sea, enlaces sencillos. Este paso puede resultar difícil, ya que no es común contar con suficiente información para esbozar el esqueleto. Sin embargo, y a menos que tengas alguna otra información, asume que en moléculas sencillas que tienen un átomo de un elemento y varios átomos de otro, el átomo único está en el centro. • Coloca los puntos alrededor de los átomos, de tal manera que cada uno tenga ocho electrones (para cumplir con la regla del octeto). Recuerda que el hidrógeno es una excepción y tan sólo tendrá dos puntos. • Verifica que el número total de electrones de valencia esté plasmado en tu estructura. Si no es el caso, posiblemente se trate de un compuesto que no satisface la regla del octeto. Si seguimos las reglas, podríamos determinar la estructura del cloroformo, CHCl3. Este compuesto cumple con la regla del octeto. Molécula Elemento Electrones y número de valencia de de átomos cada átomo Número total de electrones de valencia Estructura Arreglo de del esqueleto los puntos C144 CHCl3 C1 C4 H H111 Cl Cl E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:146 H1 H1 Cl 3 7 21 Cl 3 Cl 7 TOTAL 26 Cl H Cl C Cl Cl 6/30/06 6:29:03 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13383 Piensa y explica Completa la tabla de determinación de la estructura de Lewis para el CO2. Molécula Tipo y Electrones número de valencia de átomos de cada que forman átomo la molécula Número total Estructura Arreglo de de electrones del los puntos de valencia esqueleto C C C144 O O O 2 6 12 O — C — O CO2 TOTAL 16 Haciendo ConCiencia ¿Con melón o con sandía? Existen compuestos estables que tienen un átomo central con menos de ocho electrones. Tal es el caso de algunos compuestos de boro, como el trifloruro de boro. El boro tiene tres electrones de valencia que al compartirse con los electrones del flúor, completan seis electrones a su alrededor F F B F ¿Cómo tendrías que escribir la estructura de Lewis del BF3 para completar el octeto? Sin embargo, la evidencia experimental indica que los enlaces entre el boro y el flúor son sencillos. ¿Con qué te quedas? Tienes para elegir la evidencia experimental o la teoría de Lewis. Discute con tu grupo y expongan sus razones. Escribe aquí sus conclusiones: E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:147 6/30/06 6:29:05 AM Document1 6/30/06 7:34 AM Page 13384 3.3.1 Electronegatividad y tipos de enlace Trabajamos con modelos, lo cual implica que son simplificaciones y tienen excepciones. Como mencionamos en la segunda unidad, la escala más usada para medir electronegatividades se basa en una desarrollada por Linus Pauling. En el enlace covalente se cree que dos factores contribuyen a la fuerza del enlace. Uno de ellos es el enlace covalente entre los átomos. El otro es la unión adicional que se produce por la atracción entre los extremos, cargados de manera opuesta, del enlace dipolo. Entonces, laa fuerza extra del enlace se atribuye a la unión adicional. Pauling utilizó este concepto para desarrollar su tabla de electronegatividades. Por lo tanto, la polaridad de un enlace se basa en la diferencia de las electronegatividades entre los dos átomos unidos por el enlace. Si la diferencia es pequeña, el enlace será relativamente no polar; pero si es grande, el enlace será polar. Si la diferencia en la electronegatividad es muy grande, el par de electrones se concentrará casi en forma exclusiva alrededor del átomo más electronegativo; así, el enlace será iónico. El grado del carácter iónico del enlace, según sea medido por la cantidad de la carga soportada de los átomos en cada extremo, podrá variar desde cero hasta 100%, dependiendo de las electronegatividades de los átomos unidos. Para esta escala, el enlace de dos átomos que tengan una diferencia de electronegatividades mayor a 1.7 se considera enlace iónico, mientras que en una diferencia que fluctúe entre 1.7 y 0.4 se considera como enlace covalente polar. Por último, si la diferencia es menor a 0.4 se considera un enlace covalente no polar, y cuando el enlace es entre átomos iguales se dice que es un enlace covalente totalmente no polar o covalente puro. Ejemplos: Donde 6r diferencia de electronegatividad NaCl: 6r 2.23; por lo tanto es enlace iónico. HI: 6r 0.46; por ello es un enlace covalente. Cl2: 6r 0.00. Puesto que éste es un enlace entre el mismo elemento, se puede considerar como un enlace covalente puro. HF 6r 1.78, por lo que es un enlace iónico. 3.3.2 Geometría molecular y polaridad Haciendo ConCiencia Como en una fiesta Consigue globos de diferentes colores Infla dos globos hasta que queden del mismo tamaño y amárralos por las bocas. Dibuja aquí la forma que toman. E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:148 6/30/06 6:29:06 AM Repite el procedimiento con tres y cuatro globos. ¿Por qué crees que los globos se acomodan de esa forma? Lo que acabas de hacer puede aplicarse a las moléculas si en lugar de globos utilizas átomos o pares de electrones. A esto se le llama teoría de repulsión de pares de electrones en la capa de valencia (TRPECV) y nos ayuda a predecir la geometría de las moléculas. Este modelo fue promovido por el químico R. J. Gillespie. Aunque algunos otros científicos hicieron la propuesta original, ésta fue modificada y difundida por Gillespie; por eso se le conoce también como modelo de Gillespie. Ésta teoría simplifica las interacciones moleculares y toma en cuenta las que se forman entre los electrones. Es importante considerar lo siguiente: Cargas iguales se repelen ⫹ ⫹ Cargas diferentes se atraen ⫹ E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:149 ⫺ a) En una molécula, los átomos están enlazados mediante pares de electrones. Es posible que haya más de un par de electrones involucrado en el enlace. b) Algunos átomos pueden tener pares de electrones que no estén involucrados en el enlace. c) Tanto los pares de electrones del enlace como los que no están involucrados en éste toman las posiciones espaciales donde la interacción entre ellos es mínima, ya que los pares de electrones están cargados negativamente. d) Los pares de electrones libres toman un mayor espacio o volumen que los pares que sí están en el enlace. En pocas palabras, se trata de que los pares enlazados y los no enlazados se encuentren a la mayor distancia posible. La geometría comienza a complicarse cuando hay tanto pares enlazantes como no enlazantes. La intensidad de interacciones repulsivas y las cinco distribuciones posibles para diferente número de pares electrónicos se muestran en la siguiente tabla: 6/30/06 6:29:44 AM Núm. de pares de electrones Distribución Geometría Ejemplo 2 8 8 X–A–X BeCl2 3 BF3 8 8 8 Propiedades Lineal, hay un ángulo de 180° entre los enlaces. A esta geometría se le llama trigonall y los ángulos que se forman entre los enlaces son de 120º cada uno. 8 4 CH4 A esta geometría se le llama tetraedro, con ángulos de 109.5º. 8 8 8 8 5 8 PCl5 Bipirámide trigonal: entre los ecuatoriales hay un ángulo de 90º y para los axiales de 120º. SF6 El ángulo entre los átomos es más fácil de ver; entre los ecuatoriales hay un ángulo de 90º y para los axiales, de 180º. 8 8 6 8 8 8 8 Más sobre geometría La geometría se complica cuando la molécula posee simultáneamente pares electrónicos libres y pares electrónicos enlazantes. El orden de las fuerzas de interacción se muestra en el siguiente cuadro. Las fuerzas de repulsión disminuyen en este orden: Repulsión de pares libres E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:150 ⱕ Repulsión par libre ⫺ Par enlazante ⱕ Repulsión de par enlazante ⫺ Par enlazante 6/30/06 6:29:46 AM Piensa y explica Sigue las indicaciones para descubrir cómo cambia la geometría de una molécula que contiene electrones libres y electrones enlazados, simultáneamente. Dibuja aquí la estructura de Lewis para el amoniaco NH3 El nitrógeno como átomo central tiene cuatro especies a su alrededor: un par de electrones libre y tres hidrógenos enlazados. De acuerdo con Lewis, ¿qué geometría tendría el amoniaco? Sin embargo, recuerda que el modelo de Gillespie indica que los pares electrónicos libres ocupan un mayor volumen al repeler con mayor fuerza a los electrones del enlace. Entonces, si este par electrónico es colocado en la parte superior de un tetraedro y consideramos la diferencia en la repulsión, obtendríamos un tetraedro deformado, como el que se muestra en la figura. En el NH3 el ángulo determinado de manera experimental en un enlace H − N − H es de 107º, menor al que se obtendría de un tetraedro en el cual no hay pares electrónicos libres. Es importante decir que el par electrónico modifica la geometría, pero no puede detectarse experimentalmente. La forma de una molécula de amoniaco será como ésta: Modelo tridimensional del NH3 El par libre de electrones (no visible) se ubica sobre el átomo de nitrógeno (en negro), en la punta superior del tetraedro, por lo que empuja hacia abajo los átomos de hidrógeno (en blanco). E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:151 6/30/06 6:29:47 AM Algo similar ocurre con la molécula del agua, en la que el oxígeno tiene dos pares electrónicos libres y comparte dos electrones con dos hidrógenos. El acomodo de los pares electrónicos sería de esta forma: Pero si recordamos que los pares libres se repelen con mayor fuerza que los enlazados, tendríamos concordancia con el modelo y el ángulo experimental entre los enlaces de 104.5º. Polaridad de las moléculas En un enlace covalente cuyos átomos tienen diferentes electronegatividades, se presenta lo que llamamos enlaces polares. Si pudiéramos ver una secuencia de imágenes entre el enlace covalente y el iónico veríamos algo parecido a la siguiente figura: La polaridad se presenta en enlaces con diferentes electronegatividades. + E. COVALENTE ENLACE COVALENTE POLAR E. IÓNICO En el HCl, por ejemplo, el cloro atrae más a la nube electrónica que el hidrógeno. En esta molécula hay mayor densidad electrónica negativa cerca de él, mientras que cerca del hidrógeno hay una deficiencia de carga negativa. En esta molécula la nube electrónica se encuentra polarizada; en el HCl hay un dipolo permanente. Esto se representa mediante la letra griega δ seguida del signo correspondiente a la carga en exceso. E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:152 6/30/06 6:29:49 AM Un vector está definido por magnitud, dirección y sentido. Al sumar dos vectores Cuando un enlace covalente presenta un dipolo se forma un enlace covalente polar. Por lo general, las moléculas que están formadas por átomos diferentes forman enlaces covalentes polares, ya que los electrones que participan en un enlace covalente están más cercanos al átomo con mayor electronegatividad y la carga parcial negativa (δ⫺) se sitúa sobre ese átomo. De manera equivalente, la carga parcial positiva (δ⫹) queda en el átomo con un valor más pequeño de electronegatividad. δ− δ+ ¿Recuerdas cómo se suman los vectores? Esperamos que esta imagen te ayude a tenerlo presente; si no, revisa el apéndice de vectores. El momento dipolarr es un vector definido por la suma de todos los vectores en la molécula. A) Regla del paralelogramo B) Regla del polígono El momento bipolar es el resultado de la suma de las fuerzas de atracción y repulsión en una molécula. Dado que el momento dipolo es un vector definido entre dos átomos unidos por un enlace, en las moléculas poliatómicas con varios enlaces polares, los vectores momento dipolar pueden cancelarse debido a su arreglo geométrico. Éste es el caso de las siguientes moléculas, que a pesar de tener enlaces polares, su momento dipolar global es igual a cero. Por ejemplo, en la molécula de CO2 δ− δ+ δ− los dos vectores tienen la misma magnitud pero sentido contrario, ya que es una geometría lineal; no hay distorsión de la molécula. Ojo: ¡Una molécula puede tener enlaces polares, pero es una sustancia no polar! Piensa y explica En la molécula de agua, ¿cuál de los átomos es más electronegativo? E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:153 7/4/06 11:24:31 AM ¿Cuál de los átomos tiene una densidad electrónica ((δ⫺) negativa? En la molécula de agua, la geometría es tetraédrica, ¿Por qué se deforma para dar un ángulo de 105.7° entre los enlaces? Ayúdate a responder dibujando la estructura de Lewis. En el agua, el momento dipolar de la molécula queda precisamente en medio de ésta. Explica por qué. δ+ δ+ δ− Resumen E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:154 6/30/06 6:29:53 AM Evalúate y aplica tus conocimientos Consulta tu tabla periódica y completa la que te presentamos aquí: Familia química Núm. de electrones de valencia Estructura de Lewis general 1 Metales alcalinotérreos Familia 13 Familia del carbono Familia del nitrógeno 6 7 8 Responde: ¿Por qué crees que se afirma que los electrones de valencia son los principales responsables del enlace químico? ¿Dirías que en una sustancia covalente existe la formación de iones? ¿Por qué? ¿Cuántos electrones presenta cada enlace? Cuando dos átomos están unidos entre sí por dos enlaces, se dice que hay un enlace doble. Existen también enlaces triples, es decir, cada átomo comparte tres electrones. ¿El hidrógeno puede formar enlaces dobles o triples? ¿Por qué? Representa el enlace covalente de los siguientes compuestos con ayuda de sus estructuras de Lewis E0319-Unidad 3.3.indd Sec1:155 Compuesto Fórmula Dióxido de carbono Ácido clorhídrico Metano Agua Monóxido de carbono CO2 HCl CH4 H2O CO Estructura de Lewis 6/30/06 6:29:56 AM El enlace metálico Lo que vamos a estudiar 3.4 El modelo de enlace metálico 3.4.1 Los electrones libres E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:156 6/30/06 7:04:39 AM ¡Activa tus ideas! ¿Por qué se calienta u un alambre si lo doblas muc uchas veces, hasta que se parta rta en dos? Químicamente ¿qu ¿qué sucede? ¿Qué sucede cuand ndo se dice que una persona na ttiene estática y sus cabellos llos se erizan? E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:157 6/30/06 7:04:44 AM 3.4 El modelo de enlace metálico Existe una pequeña semejanza entre el enlace metálico y el covalente, ya que en el metálico también se comparten los electrones de valencia; pero a diferencia de lo que ocurre en el covalente, donde la distribución es entre dos átomos de enlace, en el metálico sucede de manera simultánea por todos los átomos del metal. 3.4.1 Los electrones libres Existen dos modelos que explican el enlace metálico: uno es el mar de electrones y el otro es la teoría de bandas. Empecemos con el mar de electrones analizando la siguiente figura: Aquí se representa el arreglo de una dimensión del enlace metálico. Tanto a la derecha como a la izquierda hay un número infinito de átomos, si consideramos que hay millones de átomos en un metal acomodados de esa forma. Como lo habíamos dicho, en el enlace metálico los átomos comparten sus electrones de valencia, lo cual tiene dos implicaciones: 1) Que los electrones no están asociados a un núcleo fijo, sino que se mueven continuamente de un núcleo a otro. Puesto que estos electrones de valencia se pueden desplazar libremente del orbital de un núcleo a otro, se les llama electrones deslocalizados. 2) Cuando un núcleo ya no tiene su electrón de valencia, éste queda con una carga como si fuera un catión, pero no lo es, ya que por ejemplo, para denominar al sodio, no se escribe Na⫹, sino Na0, pues en conjunto todo el metal es neutro. Los electrones no se pierden, simplemente no están fijos en un átomo en particular. En resumen, tenemos núcleos a los que les asignamos una carga simbólica positiva y un “mar” de electrones deslocalizados. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:158 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 6/30/06 7:04:52 AM La fuerza del enlace metálico viene de la suma de las fuerzas de atracción que hay entre los núcleos positivos y los electrones deslocalizados. Un arreglo de este modelo en tres dimensiones se vería así: Eje Z 6 1 3 2 4 Eje Y 5 Eje X Arreglo de tres dimensiones dentro de un cubo Si observas bien la figura, notarás que aunque hay más átomos alrededor del átomo central, son seis —que están numerados— los más cercanos. De banda en banda Veamos otra perspectiva del modelo. En ésta, los electrones se acomodan en una especie de banda junto a los núcleos cargados positivamente. Banda de los electrones de valencia ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ Banda de los electrones de valencia Banda de los electrones de valencia ⴙ Hilera o fila de núcleos E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:159 6/30/06 7:04:57 AM Si juntamos varias filas de núcleos con sus bandas de electrones correspondientes, tendríamos una figura como la siguiente: ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ ⴙ Como ya sabemos, los electrones son partículas cargadas negativamente que buscan estar alrededor de una partícula con carga positiva. En este caso están en la banda de valencia, que es la más cercana al núcleo. La brecha energética que se muestra en la figura anterior no corresponde a una distancia física, sino a una cantidad de energía. La conductividad eléctrica es el movimiento o flujo de electrones en un material. Si la banda de valencia y la banda de conductividad fueran carreteras y los electrones automóviles, ¿por dónde se transitaría más rápido? ¿Por la banda de valencia, que es donde se encuentra la mayoría de los electrones, o por la banda de conductividad? En este caso, un electrón tendría que salirse de la banda de valencia y entrar a la de conducción, y para lograrlo necesita una energía lo suficientemente fuerte para romper la fuerza de atracción que siente por el núcleo. Esa energía que necesita atravesar es la cantidad de energía que representa la brecha energética que rodea a la banda de conducción. De esta brecha energética depende la conductividad del material. En los materiales aislantes, los núcleos atraen a los electrones de valencia con una fuerza tan grande que les es imposible brincar a la banda de conducción. Hay materiales, como los semiconductores, en los que basta un poco de energía para que sus electrones de valencia salten a la banda de conducción. Los metales son un ejemplo de buenos conductores de la electricidad. En algunos, la brecha energética es muy pequeña; en otros, se superpone con la banda de valencia. Banda de conducción Banda de conducción Nivel Fermi Banda de conducción Superposición Banda de valencia Nivel Fermi de la brecha Banda de valencia Banda de valencia a) Aislante E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:160 b) Semiconductor c) Conductor 6/30/06 7:04:58 AM El nivel Fermi que se muestra aquí no es otra cosa que un punto sin retorno. Imagínate que vas nadando y quieres cruzar un lago; en este caso, el nivel Fermi es la mitad del lago, ya que te costaría el mismo trabajo regresar a tu punto de partida que llegar a tu objetivo. En términos químicos, el nivel Fermi es la energía necesaria para que un electrón llegue a la banda de conductividad. Resumen Evalúate y aplica tus conocimientos ¿Cuál de los siguientes elementos conduce mejor la corriente eléctrica desde el punto de vista del enlace metálico? Ag, Mo y Na. DATOS: Ag Conductividad eléctrica: 0.63EXP6 /cm*ohm Conductividad térmica: 4.29 W/cm*K Configuración electrónica: [Kr] 4d10 5s1 Mo Conductividad eléctrica 0.187EXP6/cm*ohm Conductividad térmica: 1.38 W/cm*K Configuración electrónica: [Kr] 4d5 5s1 Na Conductividad eléctrica: 0.108EXP6/cm*ohm Conductividad térmica 0.847 W/cm*K Configuración electrónica [He] 2s1 E0319-Unidad 3.4.indd Sec1:161 6/30/06 7:04:59 AM Fuerzas intermoleculares, dipolos y puentes de hidrógeno Lo que vamos a estudiar 3.5 Fuerzas intermoleculares y puentes de hidrógeno 3.5.1 Puentes de hidrógeno 3.5.2 El agua y otros compuestos que presentan puentes de hidrógeno E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:162 6/30/06 7:13:41 AM ¡Activa tus ideas! ¿Qué características deben d de tener las piezas de un rompecabezas o de un lego para poder unirlas? s? ¿Cómo relacionas est sta fotografía con la químic ica? ¿Qué representa el hecho cho de que se vean varias piez piezas de lego de diferentess co colores unidas? E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:163 6/30/06 7:13:49 AM 3.5 Fuerzas intermoleculares y puentes de hidrógeno Cuanto más fuerte sea la unión, mayor energía cuesta romperla ¿Por qué algunas sustancias moleculares tienen puntos de ebullición más altos que otras? Porque es fácil suponer que en el de mayor punto de ebullición, las moléculas están más atraídas unas a otras, por lo que se requiere mayor cantidad de energía para romper esas atracciones. La siguiente pregunta que tendríamos que hacernos es: ¿Por qué en algunas sustancias moleculares las moléculas se encuentran más atraídas entre sí que en otras? Sabemos que en la materia hay partículas cargadas (protones y electrones) y también sabemos que las cargas opuestas se atraen. Esta naturaleza eléctrica es la causa fundamental de todos los tipos de enlace químico. Sin embargo, en una molécula el número de partículas con carga negativa es iguall al número de partículas con carga positiva, por lo que las moléculas son eléctricamente neutras. Analicemos un conjunto de moléculas muy sencillas, similares entre sí: los halógenos. A temperatura ambiente, el flúor y el cloro son gases, mientras que el bromo es líquido y el yodo es sólido. En la tabla se muestran sus pesos moleculares y sus temperaturas de ebullición. Estas temperaturas son una medida de la cantidad de energía que hay que darle a un líquido, para separar sus moléculas y formar un gas. Halógeno Estado de agregación Peso molecular Núm. de electrones punto de ebullición (°C) F2 Gas 38 18 ⫺188.1 Cl2 Gas 71 34 ⫺34.0 Br2 Líquido 160 70 59.5 I2 Sólido 254 106 185 Piensa y explica A partir de la información de la tabla, concluye: ¿Qué es más difícil separar, las moléculas de yodo o las de bromo? ¿Qué crees que pasa con la cantidad de energía necesaria para separar a las moléculas de los halógenos cuando aumenta el tamaño del halógeno? ¿Cómo se explica que las moléculas de mayor tamaño se encuentren más atraídas entre sí que las más pequeñas? Recuerda que estas moléculas están formadas por dos núcleos que contienen protones, alrededor de los cuales hay electrones formando nubes de carga negativa: F E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:164 F Cl Cl Br Br I I 6/30/06 7:13:57 AM Se le llama momento dipolar al punto en donde dos cargas opuestas de la misma magnitud están separadas por una distancia r • δ ⫽ qr. Aunque los electrones tienden a distribuirse de manera uniforme a través de toda la nube, debido a su continuo movimiento, existe la probabilidad de que en un instante cualquiera, los electrones se concentren en un extremo de la molécula, creando momentáneamente una distribución desigual de cargas. A esta situación, en la que hay cargas de la misma magnitud q pero de signo opuesto separadas por una distancia r, se le llama momento dipolar o momento dipolo. δ ⫽ qr. En este caso particular, por ejemplo, el de la molécula de yodo, se le llama “dipolo instantáneo”, pues la separación de cargas no es permanente. Sin embargo la probabilidad de que las cargas se distribuyan momentáneamente de manera no homogénea, aumenta con el número de electrones en la nube, así como con el volumen total en el que éstos se mueven. Como se generan “polos” de carga, se dice que la molécula se polariza. La polarizabilidad en las moléculas de los halógenos aumenta con el tamaño, es decir: Menos polarizable F2 ⬍ Cl2 ⬍ Br2 ⬍ I2 Más polarizable Ahora imagina lo que provoca el acercamiento de una molécula de yodo polarizada a una molécula de yodo no polarizada. La polarizabilidad es la facilidad con la que una molécula forma polos al tener una distribución desigual de carga. Se dice que un dipolo instantáneo en una molécula puede inducir un momento dipolo en una molécula vecina, y el efecto puede propagarse a todo el material. A este tipo de interacciones entre moléculas se les llama dipolo instantáneo-dipolo inducido. Aunque es una interacción débil, es la responsable del aumento en el punto de ebullición de los halógenos, pues es más importante a medida que aumenta el tamaño de la molécula. Este efecto también explica el aumento en el punto de ebullición (y aun de fusión) de algunos hidrocarburos, como se ve en la tabla. Hidrocarburo metano etano propano n-butano n-pentano n-hexano n-heptano n-octano n-nonano n-decano E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:165 Masa molecular 16 30 44 58 72 86 100 114 128 142 Teb °(C) Tfus °(C ) ⫺164 ⫺88.6 ⫺42.1 ⫺0.5 36.1 69 98.4 125.7 150.8 174 ⫺182 ⫺183.3 ⫺187.9 ⫺138.4 ⫺130.2 ⫺95 ⫺90.6 ⫺56.8 ⫺51.1 ⫺29.1 6/30/06 7:42:25 AM Dipolos permanentes Las moléculas que poseen dipolos permanentes, se atraen unas a otras con mucha más fuerza que las moléculas de estructura similar y tamaño semejante sin dipolos permanentes. Esto se refleja en mayores puntos de ebullición para las sustancias polares, pues es necesario aplicar una mayor cantidad de energía para romper las atracciones entre las moléculas. En la siguiente tabla se muestran algunas sustancias polares y no polares con sus temperaturas de ebullición. Las flechas indican la dirección del momento dipolar. Sustancias no polares E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:166 Sustancias polares 6/30/06 7:42:27 AM 3.5.1 Puentes de hidrógeno Entre los enlaces polares, un caso particularmente importante es el formado por un átomo de hidrógeno y un átomo que tenga un alto valor de electronegatividad, como el flúor, el oxígeno o el nitrógeno. Este tipo de átomos siempre tiene pares de electrones no compartidos al formar moléculas. Un ejemplo de moléculas en las que tenemos este tipo de enlaces serían los alcoholes, que tienen fórmula general R-O(δ⫺)⫺H(δ⫹), donde los símbolos δ⫺ y δ⫹ se refieren a que, sobre el átomo junto al cual se escribieron, hay una carga negativa o positiva parcial, lo que precisamente genera el momento dipolar. La figura representa cómo un átomo de hidrógeno enlazado a una molécula de metanol puede interactuar fuertemente con uno de los pares de electrones no compartidos en el átomo de oxígeno de una molécula vecina, formando un “puente” entre dos moléculas de metanol. ( ( ( # ( / ( / ( # ( ( ( ( ( # ( / / ( ( # ( ( E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:167 6/30/06 7:42:28 AM Piensa y explica Compara las propiedades de los siguientes compuestos y responde las preguntas: Éter metílico etanol CH3-O-CH3 CH3-CH2-OH 1.3 D 1.69 D Gas a temperatura ambiente Líquido a temperatura ambiente Temperatura de ebullición: ⫺25°C Temperatura de ebullición: 78°C 1) Completa la información para cada compuesto Fórmula mínima Éter metílico etanol CH3-O-CH3 CH3-CH2-OH C2H6O C2H6O Masa molecular Estas dos sustancias son isómeros, es decir, tienen la misma fórmula mínima y por lo tanto, la misma masa molecular, pero el acomodo de sus átomos es distinto. 2) ¿A qué sustancia tienes que proporcionarle mayor energía para llevarla al estado gaseoso? 3) ¿Qué significa esto en términos de la fuerza de sus interacciones? 4) Entre moléculas de éter metílico, CH3-O-CH3 no pueden formarse puentes de hidrógeno, mientras que esto sí es posible en el etanol, CH3-CH2-OH. Elabora una hipótesis y plantéala aquí. 5) ¿Crees que la existencia de puentes de hidrógeno confiere a las sustancias una mayor fuerza en sus interacciones? Explica. E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:168 6/30/06 7:42:29 AM 3.5.2 El agua y otros compuestos que presentan puentes de hidrógeno El agua, la sustancia más importante en nuestro planeta, está compuesta por moléculas polares capaces de formar puentes de hidrógeno de una manera única. Comparemos a la molécula de agua, H2O, con algunas que podríamos considerar parecidas, compuestas sólo por átomos de hidrógeno y algún átomo muy electronegativo, por ejemplo el NH3, el HF, el H2S, el HCl. Todas estas moléculas pueden formar enlaces tipo puente de hidrógeno, y de hecho los forman, pero sus puntos de ebullición —que se muestran en la tabla siguiente— — nos dicen que las atracciones entre sus moléculas son mucho menores que las que se dan entre las moléculas de agua. ¿Qué característica estructural es la que hace que el agua sea tan diferente? Temperaturas de ebullición de algunas sustancias con puentes de hidrógeno Sustancia Temperatura de ebullición (°C) Momento dipolar (D) H2O 100.0 1.87 NH3 ⫺33.0 1.46 HF 19.9 1.92 HCl ⫺85.0 1.08 H2S ⫺60.0 1.10 En la figura siguiente se establecen los puentes de hidrógeno entre las moléculas de las diferentes sustancias analizadas. Podemos ver que, en tanto que el HF tiene sólo un átomo de hidrógeno para establecer puentes, el amoniaco, aunque tiene tres, sólo tiene un par de electrones no compartidos sobre el nitrógeno. En cambio, el agua tiene dos átomos de hidrógeno unidos al átomo de oxígeno, que a su vez tiene dos pares de electrones no compartidos. Esto permite que cada molécula de agua pueda participar simultáneamente en cuatro enlaces de puente de hidrógeno. En el H2S, el número de átomos de hidrógeno y el número de electrones no compartidos en el átomo electronegativo, es el mismo que en el agua; sin embargo, su comportamiento es muy distinto al del agua pues es un gas a temperatura ambiente. Esto puede explicarse mediante la diferencia en los valores de electronegatividad entre el O(3.5) y el S(2.5). El carácter polar del enlace O-H es mucho más marcado que el del enlace S-H, ya es mayor la diferencia de electronegatividades. E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:169 6/30/06 7:42:30 AM Interacciones ión-dipolo Los compuestos formados por iones, como el NaCl, forman sólidos cristalinos en los que las partículas que los constituyen se encuentran fuertemente atraídas por lo que llamamos una interacción ión-ión. Ésta, sin embargo, en muchos casos puede ser vencida al poner la sustancia iónica en contacto con agua. Las moléculas de agua, con sus dipolos permanentes, pueden interactuar fuertemente con ambos tipos de iones, según se muestra en la siguiente figura. Algunos disolventes polares, como los alcoholes, en algunos casos, también pueden ser capaces de vencer las interacciones ión-ión para disolver a un compuesto iónico mediante interacciones ión-dipolo. Interacciones ión dipolo Como tal vez habrás notado, las diferentes interacciones se han presentado en orden de menos intensas a más intensas. La magnitud de las interacciones ión-dipolo puede compararse con la de un enlace covalente, por eso la forma más comercial de algunos compuestos es en forma de hidrato, ya que al cristalizar permanecen unidas algunas moléculas de disolvente a los iones del compuesto. Un ejemplo común es el sulfato de cobre pentahidratado, con fórmula CuSO4_5H2O, en el que las moléculas de agua se encuentran rodeando al ión cobre como se ilustra en la figura de la página siguiente. ¿Qué entiendes por fuerzas intermoleculares? Cuando alguien te dice que eres fuerte, ¿en qué piensas? La palabra intermoleculares nos habla de algo que hay o que sucede entre una molécula y otra. E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:170 6/30/06 7:42:31 AM Recuerda cómo se encuentran las moléculas en un sólido: están fuertemente unidas; en un líquido esta fuerza de atracción es menor, y en el caso de los gases, es casi nula. Uno de los factores que da estas propiedades a los estados de agregación, a los puntos de fusión y de ebullición, a la solubilidad y a la viscosidad entre otras propiedades de las sustancias, son las fuerzas de atracción o fuerzas intermoleculares que hay entre las moléculas de las cuales están compuestas. Las fuerzas intermoleculares son débiles si se les compara con las fuerzas que hay dentro de las moléculas (intramoleculares); éstas, por ejemplo, son las fuerzas del enlace iónico o covalente. La fuerza dentro de la molécula de HCl es la fuerza de la unión covalente que existe entre el hidrógeno y el cloro. Esta unión al ser más fuerte, permanece mientras esta molécula cambia de estado líquido al sólido, ya que sigue siendo HCl tanto en líquido como en gas, en tanto que la fuerzas de atracción entre cada molécula de HCl (fuerzas intermoleculares) se modifican cuando hay un cambio de estado. Las fuerzas intermoleculares que veremos son: 1) dipolo–dipolo 2) dipolo–dipolo inducido 3) dipolo inducido–dipolo inducido o fuerzas de dispersión de London A todas estas fuerzas se les conoce como fuerzas de Van der Waals. 1) Dipolo–dipolo ¿Recuerdas la siguiente molécula de una sección anterior de esta obra? Ésta tiene un dipolo (dos polos), uno en el átomo color gris claro el cual tiene una carga parcial positiva, y el otro polo lo tiene el átomo negro con una carga parcial negativa. Si recordamos que las cargas iguales se repelen y las cargas contrarias se atraen, ¿qué pasaría si juntas dos moléculas de este tipo? Esta interacción E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:171 6/30/06 7:42:32 AM o esta interacción ¿Cómo crees que afecte la polaridad de una molécula su punto de ebullición, por ejemplo? Veamos la diferencia con las siguientes dos moléculas. Aquí se muestran dos moléculas polares, una más polar que la otra. La molécula de la derecha es casi iónica, ya que el átomo más electronegativo casi le está arrancando el electrón del átomo más electropositivo, de ahí que su densidad electrónica sea mayor y la del átomo con carga parcial positiva sea menor. En cambio la molécula de la izquierda es muy poco polar, ya que las nubes electrónicas que comparte son casi iguales. Con esto ¿qué interacción crees que sea más fuerte? Esta interacción (a) o esta interacción (b) La interacción (a) representada con la línea punteada es mas fuerte, ya que a mayor polaridad de la molécula, más parecido es el enlace a uno iónico, y como habíamos dicho, los compuestos iónicos tienen un punto de ebullición muy alto. Para esta interacción, la atracción dipolo–dipolo es mayor, ya que la parte electronegativa de la molécula dipolar tiene una interacción de mayor fuerza con la parte electropositiva de la molécula dipolar que se encuentre a su lado, representada con la línea punteada. Supongamos que se encuentran en estado líquido y se les suministra energía por medio de calor hasta que llegan a su punto de ebullición. Las moléculas líquidas representadas con la fuerza intermolecular (b) llegan a ese punto a una temperatura menor que las moléculas con fuerza intermolecular (a), ya que al ser mayor (a) que (b) se necesita más energía en (a) para romper la fuerza intermolecular y separar las moléculas para pasar a su estado gaseoso. E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:172 6/30/06 7:42:33 AM 2) Dipolo–dipolo inducido Una vez que hemos explicado las fuerzas intermoleculares dipolo–dipolo, queda pendiente definir un dipolo inducido. Si te das cuenta, todas estas fuerzas se observan en la forma de la nube electrónica alrededor del núcleo correspondiente. Recordemos esto con la siguiente figura: A la derecha se muestra a un átomo neutro, por ejemplo, criptón (Kr). En éste, los electrones están en constante movimiento alrededor del núcleo y su nube electrónica se representa como una esfera debido a que es un promedio de la posición de los electrones. Imagina que tienes una piedra amarrada a un extremo de una cuerda y la haces girar lo más rápido que puedas. Ahora, ejemplifiquemos eso con un dibujo. El óvalo punteado representa al promedio de la posición de la piedra. Si en la figura anterior, en lugar de piedra, fuera un electrón el que gira alrededor del núcleo, lo veríamos así: E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:173 6/30/06 7:42:35 AM Si se le acercara una partícula cargada positivamente al electrón, éste desviaría su trayectoria de la siguiente manera: El electrón sigue alrededor de su núcleo, pero su trayectoria es desviada debido a que es atraído por la partícula cargada positivamente. Lo mismo sucedería con la nube electrónica del criptón: se deformaría un poco al aproximársele una partícula cargada positivamente, y dicha partícula bien podría ser un dipolo. La nube electrónica del criptón es deformada por la parte parcialmente positiva del dipolo, esta fuerza intermolecular es muy débil, ya que, si el dipolo se aleja, el criptón dejaría de ser un dipolo: lo es porque es inducido por algo más (en este caso por el dipolo). Como lo vimos en el ejemplo, es más factible que esto suceda en los gases nobles, ya que sus moléculas constan de un solo núcleo y sus electrones están distribuidos homogéneamente alrededor de él. 4) Dipolo inducido–dipolo inducido o fuerzas de dispersión de London Fritz London También se conocen como fuerzas de dispersión de London gracias al físico Fritz London (1900-1954) Ya sabemos lo que es un dipolo inducido, pero ¿cómo harías para que interaccionen dos dipolos inducidos sin ningún dipolo que los distorsione? Ya que, como dijimos anteriormente, si a un dipolo inducido se le retira lo que le induce a polarizarse, vuelve a su estado no polar, como el átomo de criptón neutro. Volvamos al ejemplo del electrón que gira alrededor de su núcleo. ⫺ δ+ − δ⫺ + δ+ δ⫺ + + δ⫺ δ+ − E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:174 6/30/06 7:42:37 AM Si solamente fuera un electrón el que girara alrededor del núcleo habría dos partes parcialmente cargadas, mientras el electrón está de un lado, el otro queda con una carga parcial positiva debido a la falta del mismo y a la que ejerce el núcleo, quedando la otra mitad parcialmente negativa. Esto sucedería en un ámbito casi imposible donde habría una sola molécula de un gas noble (sigamos con el criptón) y nada más. Recuerda de nuevo que partículas con la misma carga se repelen. Ahora imagina, ¿qué pasa en la realidad donde hay infinidad de moléculas juntas? Hagámoslo sólo con dos: Que giran en este sentido δ⫺ δ+ δ+ δ⫺ + ⫺ + ⫺ O que se sincronizan de la siguiente forma: δ+ + δ⫺ δ+ ⫺ + δ⫺ ⫺ Las partes con cargas parciales opuestas se encuentran cerca, lo que crea una fuerza de atracción intermolecular, lo que finaliza induciendo a un dipolo: un dipolo inducido. La línea punteada representa la interacción que hay entre las partes con cargas opuestas. Recuerda que si en este caso hablamos del criptón, éste no tiene un electrón en su capa de valencia, sino que sus niveles 4s y 4pxpypz están llenos con 8 electrones. Esto explica varias cosas, entre ellas por qué el cloro Cl2 a 25º C es gas mientras que, a la misma temperatura, el bromo Br2 no lo es. Los dos están en el mismo grupo de la tabla periódica (VII); el cloro se encuentra en el periodo 3 y el bromo en el 4. El número atómico del cloro es 17, y el del bromo es 35. El radio atómico del primero es de 0.97 amstrongs y el del segundo es de 1.12, y de la misma forma, el radio covalente del bromo es más grande E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:175 6/30/06 7:42:45 AM que el del cloro. Todo esto nos dice que las fuerzas de dispersión de London son lo suficientemente fuertes para mantener unidas en su estado líquido a las moléculas de bromo (Br2) ya que esta molécula es más grande que la del cloro, y para el cloro, estas fuerzas se rompen a 25º C lo que hace que se separen para quedar como gas. Cuanto mayor sea la molécula, más lejos quedan los electrones del núcleo y por ende más fácil se puede distorsionar su nube electrónica. Resumen &UERZAS INTERMOLECULARES 0UENTES DE HIDRØGENO ÕiÀâ>ÃÊÌiÀiVÕ>ÀiÃʵÕiÊ >VÌÖ>ÊiÌÀiÊÕÊ `À}iÊ`iÊÕÊ i>ViÊ«>ÀÊVÊÕÊ«>ÀÊ`iÊ iiVÌÀiÃÊÊV«>ÀÌ`ÊiÊÕÊ ÊÊVÊÕÊ?ÌÊVÊiiVÌÀ i}>ÌÛ`>`ÊiiÛ>`>° $IPOLOS $IPOLOnDIPOLOÊ ÌiÀ>VVÊiÌÀiÊV>À}>ÃÊ«>ÀV>iÃÊ `«>Àið $IPOLOnDIPOLO INDUCIDO ÌiÀ>VVÊiÌÀiÊÕ>ÊV>À}>ÊL«>ÀÊ ÞÊÕ>ÊÕLiÊiiVÌÀV>Ê«>Àâ>`>° &UERZAS DE DISPERSIØN DE ,ONDON ÌiÀ>VVÊiÌÀiÊ`ÃÊÕLiÃÊ`iÊ iiVÌÀiÃÊ«>Àâ>`>Ã°Ê Evalúate y aplica tus conocimientos Indica en el cuadro correspondiente si las siguientes aseveraciones son falsas o verdaderas. Enunciado F V Las fuerzas de enlace (fuerzas intramoleculares) son más débiles que las fuerzas intermoleculares. Es imposible polarizar una nube o densidad electrónica a través de un campo eléctrico. E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:176 6/30/06 7:42:48 AM Enunciado F V Las fuerzas de Van der Waals son más fuertes que las de dipolo–dipolo. La molécula de HF forma puentes de hidrógeno más fuertes que la molécula de HCl. El valor de electronegatividad de un átomo es un factor importante en la formación de puentes de hidrógeno. Las fuerzas de dispersión de London son las fuerzas intermoleculares más fuertes. Las fuerzas intermoleculares en los gases es menor que en los sólidos. Predice la tendencia del punto de ebullición de los siguientes dos grupos de moléculas y menciona todas las interacciones presentes en ellas: Grupo 1 SiH4, SnH4, CH4, GeH4 Grupo 2 HCl, HI, HF, HBr E0319-Unidad 3.5.indd Sec1:177 6/30/06 7:42:50 AM Los nuevos materiales Lo que vamos a estudiar 3.6 Los nuevos materiales 3.6.1 Principales características y usos 3.6.2 Impacto en la sociedad E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:178 6/30/06 7:45:56 AM ¡Activa tus ideas! ¿Vas a estudiar derech cho? ¿Sabías que hay nuevos ma materiales en balística, así como o chalecos antibalas que pesan an menos de dos kilos y quee us usan el principio de la fi fibra bra del coco? ¿Vas a estudiar arte? mente hay materiales que ayudan a la conservación de d pinturas antiguas, así como mo técnicas que utilizan el láser er para limpiar tanto esculturas ras como fachadas antiguas guas. E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:179 6/30/06 7:46:02 AM 3.6 Los nuevos materiales En la historia de las ciencias, primero viene el desarrollo científico con una nueva tecnología, después vienen los nuevos dispositivos y finalmente los nuevos materiales. Cualquier ciencia debe tener un desarrollo, pero éste es guiado, no azaroso. Lo que ha dirigido el desarrollo científico es la historia humana, ya que de acuerdo a nuestras necesidades hemos buscado y adquirido diversos tipos de desarrollo. Supongamos que toda la Tierra se queda sin energía eléctrica y todo el mundo se queda sin luz; el problema podría durar años y es entonces cuando nuestra necesidad de volver a contar con el flujo eléctrico nos haría buscar la manera de conseguirlo mediante nuevas tecnologías. La necesidad impulsa al ser humano a buscar y conseguir aquello que anhela o le falta. Las creaciones dentro de la ciencia son el resultado de grandes sueños hechos realidad. Por desgracia, tanto en la primera como en la Segunda Guerra Mundial los gobiernos de las grandes potencias contrataban a los mejores científicos para que desarrollaran armas más potentes, con mayor alcance y mejores características puesto que su “necesidad” era ganar la guerra. ¿Te imaginas una nueva tecnología contra la pobreza? ¿Te imaginas erradicar la escasez de alimento en África? ¿Cuántas ciencias abarcaría este problema? Siendo este un tema muy amplio, enfoquémonos únicamente a la química. Incluso así, hablar de los nuevos materiales sigue siendo un tema muy grande, ya que se ha desarrollado desde tiempos remotos. ¿Te imaginas cuando el hierro era un material nuevo y sustituyó a las armas de piedra? De ahí que hagamos énfasis en la nanotecnología, ya que en la historia de la ciencia de los materiales es la que nos tocó vivir y la que nos representa actualmente. La iniciativa nacional de nanotecnologia de Estados Unidos de América la define como el desarrollo tecnológico que estudia los fenómenos y el control de la materia en dimensiones de 1 a 100 nanómetros, donde propiedades únicas promueven nuevas aplicaciones. La historia de la tecnología tiene una tendencia a la miniaturización, pero ésta no es el objetivo, sino el resultado, ya que si se busca un nuevo material más liviano, como resultado vamos a tener un material más pequeño al original, ya que cuanto más pequeño, más liviano. Por ejemplo en la industria de los electrónicos, si se reducen tanto el área como el volumen se pueden agregar más funciones al equipo que ocupen el lugar que anteriormente ocupaba un material de mayor tamaño. Ejemplo claro de esto es la evolución de los teléfonos celulares; antes, sólo cumplía una única función: comunicarse. Ahora, si se quiere un nuevo teléfono con más funciones en el mismo volumen, es necesario reducir el tamaño de sus componentes; así se puede introducir un teléfono celular del mismo tamaño o incluso más pequeño, pero con cámara fotográfica, agenda, juegos y todas las funciones que actualmente consideramos tradicionales en un teléfono celular moderno. Para el mundo globalizado y comercial en el que vivimos, al hablar de industria nos referimos también al dinero. La creación de un material más pequeño reduce costos para la industria, pero antes debió haber una gran inversión económica para el desarrollo tecnológico al que se ha llegado y al que se tiene pensado llegar. Relación de la escala nanométrica con la milimétrica E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:180 6/30/06 7:46:10 AM Piensa y explica De acuerdo con la definición que dimos de nanotecnología hay una parte que dice: “…propiedades únicas promueven nuevas aplicaciones”. Si son propiedades únicas de los átomos, entonces son distintas a las que ya conocemos con la tabla periódica. ¿Cómo te imaginas una nueva tabla periódica? Discútelo en clase. Las nanoestructuras presentan propiedades distintas a las que estamos acostumbrados con la tabla periódica. Por ejemplo, un arreglo específico en escala nanométrica de átomos de carbón tienen una resistencia mayor a la del acero. Esto no lo podemos explicar con la tabla periódica común que todos conocemos. ¡Que no te cuenten! El término de nanotecnología fue definido por el profesor japonés Norio Taniguchi en 1974. Poco más de tres décadas es poco tiempo si se compara con todo lo que se ha hecho gracias a esta disciplina desde su definición. Pocas personas, incluyendo hombres de ciencia, hubieran creído el gran avance que se ha tenido hasta el momento. Debido a la capacidad de los nuevos materiales dentro de esta rama, sólo hace falta la imaginación y el conocimiento de un científico para lograr cosas increíbles, que antes eran una locura o se consideraron cuestión de magia o sobrenatural, y por las cuales grandes científicos murieron. “Lo más importante es no parar de cuestionarse”. Albert Einstein (1879-1955) E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:181 Había una vez un científico nacido en Croacia que en su bitácora tenía dibujos de máquinas que producían unos destellos. Él los llamaba rayos de la muerte y decía que podrían destruir 10,000 aviones a una distancia de 250 millas, que éstos podían partir la Tierra en dos… él tenía también dibujos de sí mismo sosteniendo en sus manos bolas de fuego. ¿Qué pensarías tú de este científico? ¿Qué credibilidad le darías estando ahora en el siglo XXI? Este hombre tan poco conocido se llamaba Nikola Tesla (1856-943) y, aunque no lo creas, llegó a inventar unas cuantas cosas por las que recibió poco o nulo crédito. Algunos de sus inventos son la radio, el velocímetro, el sistema de ignición del automóvil, un microscopio electrónico, las bases para lo que actualmente es un radar, el sistema eléctrico de corriente alterna que se usa en todas las casas y hasta el horno de microondas, por sólo mencionar unos cuantos. El crédito de todos estos inventos ha sido para las personas que los hicieron físicamente, ya que Tesla sólo dijo que era posible crear todas estas invenciones. Finalmente si hay diferencia entre decir y hacer ¿no crees? 6/30/06 7:48:11 AM Piensa y explica Dibuja o escribe detalladamente el invento más absurdo que se te ocurra, relacionado con la nanotecnología. Ya veremos en cuánto tiempo se hace realidad. “…imagínense todo lo que se podría hacer si las leyes científicas fueran lo que nosotros quisiéramos…” Richard Feynman (1918-1988) 3.6.1 P Principales características y usos Un C60 Un nanotubo E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:182 Para determinar las principales características de los nanomateriales, primero es necesario analizar el uso que se les quiere dar, ya que sus características dependerán del fin para el cual se diseñan. Empecemos con el carbono... ¿y qué tal una pelota atómica? Los fulerenos son moléculas compuestas exclusivamente por átomos de carbono que pueden tomar la forma de una esfera —su nombre químico es C60— de una elipsoide o de un tubo —mejor conocidos como los nanotubos. Las propiedades de los fulerenos aún están en estudio, pero podemos decir que por lo general son muy estables, poco solubles —aunque sí lo son en disolventes como disulfuro de carbono y tolueno—. Esta última característica puede ser aprovechada por la medicina para introducir antibióticos a la bacteria objetivo. Los C60 tienen propiedades de superconductividad y son más solubles después de agruparse. Pero si se parece físicamente a una pelota de futbol, ¿tendrán entonces propiedades similares? Sí, ya que si una pelota puede girar, los C60 también pero con la diferencia de que pueden dar 100 millones de vueltas por segundo. Si a la pelota se le comprime, regresa a su forma original; de la misma forma pasa con el C60, y así como una pelota puede rebotar, el C60 rebota si se le avienta a gran velocidad contra el acero. La forma de los C60 hace que sean estructuras muy estables y resistentes a altas temperaturas y presiones. Los átomos de carbono pueden reaccionar con otros átomos o moléculas dejando intacta su estructura esférica. También existen otras estructuras esféricas con números de átomos de carbono mayores y menores. Los nanotubos, como su nombre lo indica, son tubos a nanoescala con paredes del grosor de un átomo. Las características de los nanotubos están enfocadas a su resistencia —ya que pueden llegar a ser más fuertes que el acero— y a sus propiedades eléctricas, 6/30/06 7:48:13 AM que pueden variar de acuerdo a la geometría del tubo. Por ejemplo, se pueden sintetizar dos nanotubos concéntricos —un nanotubo dentro de otro— donde uno sirva como conductor y el otro como aislador. Éstos dieron origen al C60, ya que después de construir un nanotubo cerrado por un extremo, se pensó en la forma de unir dos extremos, ya que cada uno representa una esfera partida a la mitad. La longitud de uno de estos pequeños tubos puede ser de hasta 1mm. Sus propiedades varían de acuerdo a su longitud, diámetro, y forma. Se les purifica lavándolos con ácido y sometiéndolos a altas temperaturas, esto debido a su alta estabilidad ante los ácidos y a su alta resistencia a las temperaturas elevadas. Éstas son algunas de tantas propiedades de los fulerenos. ¡Que no te cuenten! Algunos datos relevantes sobre estos nanotubos: uno de ellos es aproximadamente 50,000 veces más delgado que un cabello humano. Son uno de los materiales más resistentes conocidos por el ser humano: se han hecho pruebas de su fuerza de tensión y al compararla con el acero, son hasta 60 veces más resistentes. En pocas palabras si uno escribe en inglés “nanotubes” en un buscador de Internet, es posible obtener cerca de 8 millones y medio de páginas relacionadas con ellos, y sólo por hacer una comparación, si uno escribe en el mismo buscador “Pelé” (jugador brasileño de futbol) se obtienen cerca de 10 millones de resultados. Nanocatalizadores: Empecemos por explicar qué es un catalizador: Es una sustancia presente en una reacción química en contacto físico con los reactivos y que varía la velocidad de reacción de éstos, sin afectar la naturaleza de la reacción. Observa la siguiente ecuación: 1) A ⫹ B → C x 2) A ⫹ B → C Supongamos que la primera ecuación tarda 5 minutos en que se forme el producto C, en tanto que en la segunda, la reacción tarda 1 minuto, gracias a la presencia de X que es un catalizador. Observa que el catalizador no influyó en la reacción, ya que seguimos obteniendo el mismo producto C. Este catalizador también puede alterar la temperatura de la reacción facilitando y acelerando la misma. Ya que las reacciones catalíticas dependen de la superficie de contacto o, mejor dicho, superficie catalítica, a menor tamaño de la sustancia catalítica mejor rendimiento del catalizador. Una modificación a nanoescala de un catalizador puede modificar la estructura electrónica, interactuar con una mayor superficie y mejorar los efectos de transporte que se llevan a cabo, entre otros beneficios. Ahora que sabemos que la nanotecnología beneficia las reacciones de catálisis, veamos dónde ocurren para observar la magnitud de dicho beneficio. Las reacciones catalíticas ocurren en muchos ámbitos, uno muy importante es el cuerpo humano ya que las encargadas son las enzimas; también podemos mencionar la producción de gas sintético, la síntesis de metanol, la producción de ácido sulfúrico, de ácido nítrico, el procesamiento y refinación del petróleo, las celdas de combustible, entre otras. Actualmente se desarrollan textiles “inteligentes” que se realizan al añadir capas nanométricas, cerca de 20 nanómetros, a fibras naturales. Estas capas controlan todo aquello que pueda pasar a la fibra natural; el mismo proceso se puede realizar para cubrir otros materiales y evitar su corrosión, o estabilizarlos térmica o químicamente según lo deseado. Por último, otro uso que se le ha dado a las monocapas atómicas es recubrir ciertos materiales E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:183 6/30/06 7:48:15 AM con propiedades de conductividad para así construir una especie de canal llamado canal óptico, favoreciendo la conductividad para el proceso correspondiente. Existen otros tipos de textiles nuevos, como unos pantalones desarrollados y manufacturados con una especie de vellos microscópicos adheridos a la tela de algodón o al textil del cual estén hechos los pantalones haciendo que sean repelentes al agua. Estas nanopartículas adheridas al pantalón deben ser hidrofóbicas para poder cumplir con su función. ¿Sabías que se está desarrollando ropa invisible? Muy difícil de creer, pero la nanotecnología ha hecho posible esto, aunque no se haya concluido al 100%, este tipo de proyectos sigue en pie. En el área médica las aplicaciones son muy amplias, sin contar el desarrollo tecnológico por venir. Dos amplias ramas de aplicación en la medicina son el mejoramiento del cuidado médico del paciente en todas sus ramas (pre-hospitalario, hospitalario, consulta, rehabilitación, etcétera). El segundo es el área farmacéutica dedicada, por ejemplo, al desarrollo tecnológico de medicinas y vacunas. Hablemos un poco de este campo para explicar la manera cómo se trabaja. La forma de trabajar de los científicos ha ido cambiando con el tiempo: antes, un científico se “encerraba” en su laboratorio y compartía sus experimentos con sus colegas más cercanos; poco a poco, tuvieron que compartir y retroalimentarse con otros colegas, tanto de diferentes países como de otras áreas referentes a su investigación. Paulatinamente, las ciencias se han vuelto multidisciplinarias, incluyendo a la ciencia de los nuevos materiales. Volvamos al ejemplo de la síntesis de una nueva medicina o vacuna. Es necesario el químico que aporte su conocimiento para dicha síntesis, los médicos que contribuyan con las características que debería tener la medicina, según la parte del cuerpo o bacteria que se va a atacar. También es necesaria la participación del biólogo para hacer pruebas biológicas del medicamento, algunas de las cuales se realizan en animales. Además están los especialistas de los equipos utilizados para la síntesis, ya que en la actualidad los equipos llegan a ser muy especializados y costosos. Tenemos también a los físicos, cuya contribución está compuesta por los equipos, pues gran parte del fundamento de los equipos es física pura. Todo esto crea o pide una colaboración hasta de gobiernos, universidades e institutos dedicados a la investigación. Conexión al mundo En la Universidad de Rice en Houston, Texas (EUA), hay doctores en química que han sintetizado moléculas con una forma singular, llamadas nanoniños. Como ves, serían los primeros nanomuñecos que se hayan construido o sintetizado. Los puedes ver en la dirección de Internet: http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/nanokids/index.cfm ¿Cuándo hubiésemos pensado que manipularíamos átomos con esta sencillez? o E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:184 o 6/30/06 7:48:15 AM En el área de los componentes electrónicos, la historia científica ya empezó a modificar hasta nuestro lenguaje, pues antes se conocían los microchips que ahora están siendo reemplazados por los nanochips. Los transistores usados en ingeniería, han sido de las primeras aplicaciones de la nanotecnología, ya que se han creado transistores de una sola molécula (Universidad de Cornell, EUA). Un transistor convencional de silicio regula el paso de electrones a través de él, y si éste es del tamaño de micrones, un nanotransistor reduce el espacio, peso y otras características más del equipo donde se implante. Dentro de los equipos electrónicos no podían faltar los videojuegos, algunas compañías han invertido cantidades enormes de dinero en desarrollo tecnológico para que sus juegos sean cada vez más reales y dinámicos, y para que sus procesadores sean más rápidos. Los cosméticos es otro campo donde ya se han desarrollado nanomateriales. Se sabe que el óxido de zinc es un material usado como protector solar, que absorbe los rayos UV. Puesto que las partículas de los protectores solares convencionales son de gran tamaño si se les compara con una nanopartícula, al aplicarlos en la piel dejan un color blanco y las partículas se aglomeran debido a su tamaño. Gracias a la nueva tecnología, es posible sintetizar nanopartículas de óxido de zinc que absorben los rayos UV y que por su tamaño son transparentes. En biología, la nanotecnología no se queda atrás, pues ha sido posible obtener imágenes en tiempo real de células vivas, diagnósticos clínicos y perfiles de expresión genética. Paralelamente, colabora con la medicina en las pruebas biológicas que ya habíamos mencionado. Por ejemplo, si se quiere diseñar un nuevo material para una prótesis de piel o hueso, antes es necesario realizar pruebas en diferentes animales para corroborar que el material utilizado no provocará una reacción alérgica en el cuerpo humano, es decir, que el material sea biocompatible: que no sea tóxico, compatible médicamente, no ser carcinogénico y que no reaccione con la sangre. Como habíamos dicho, la nanociencia es tan sólo una rama de la ciencia de los nuevos materiales, ya que ésta es tan grande. Mencionaremos unas cuantas áreas: los plásticos (polímeros superfotosensibles), espumas de carbón (con propiedades térmicas), metalurgia (nuevas aleaciones de acero inoxidable), celdas solares (transforman la energía solar para que sea posible usarla de diferentes maneras), los cerámicos (uno de sus tantos usos es la fabricación de baterías), nuevos catalizadores, superconductores, semiconductores, otros materiales fotosensibles (tienen una respuesta física o química cuando son expuestos a la luz), materiales inteligentes o con memoria, materiales granulares (el azúcar es uno de ellos, otros, por ejemplo, se comportan a veces como fluidos y otras como sólidos). Esta lista podría seguir y seguir, pero terminémosla con los nanomateriales. Como verás hay ramas de esta ciencia que están conectadas, un ejemplo de esto son los superconductores y los cerámicos. Existen diversas revistas especializadas en estas ciencias, nos tomamos la libertad de recomendar Materiales avanzados del Instituto de Investigaciones en Materiales de la Universidad Nacional Autónoma de México. Piensa y explica De todas las licenciaturas que conoces, da algunos ejemplos que creas que tienen relación con la ciencia de los nuevos materiales, incluyendo la nanotecnología. E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:185 6/30/06 7:48:16 AM 3.6.2 IImpacto en la sociedad El impacto de los nuevos materiales tendría que ser en beneficio de la sociedad, en las áreas de salud, medicina, miniaturización en la manufactura de productos y reducción del consumo de recursos naturales, con el fin de mejorar y limpiar el medio ambiente. Para esto, la comunidad científica debe preguntarse e investigar los potenciales peligros para el ser humano y para el medio ambiente. En los inicios de la nanotecnología había preguntas y problemas sin resolver que ahora han sido resueltos, sin embargo en la actualidad se tienen nuevas preguntas y expectativas sobre este tipo de tecnología. Al crear compuestos a nanoescala —la escala más pequeña conocida hasta el momento— ¿cómo hacían para caracterizarla? ¿Cómo saber si el producto experimental correspondía con el teórico? Este problema se fue solucionando con el avance tecnológico y la combinación de técnicas de caracterización como microscopía de fuerza átomica, espectroscopia de rayos-X, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución, entre otras. Una de las expectativas de la nanotecnología es que los materiales sintetizados se asemejen lo más posible a comportamientos de la vida natural. Para la construcción, desarrollar materiales inteligentes (por decirles de alguna forma) que pueden identificar diferentes tipos de clima y reaccionar ante ellos volviéndose más permeables, o hacerlo ante condiciones de corrosión o debilitamiento. En medicina, la creación de anticuerpos sintéticos: dispositivos a nanoescala que busquen y destruyan células malignas dentro de un tumor sin dañar las células sanas. Desarrollar también materiales ultraligeros para que en futuras generaciones el consumo de combustible sea menor y por lo tanto reducir la contaminación creada por todos los medios de transporte que usamos. Estos materiales livianos también ayudarían a los aviones, ya que al no perder su dureza podrían transportar más carga o recorrer mayores distancias. La creación de plásticos más resistentes para que tengan una vida útil más larga también ayudaría a disminuir la contaminación pues a mayor duración, consumiríamos y desperdiciaríamos menos. En cambio, si las nuevas botellas de plástico durasen un año o más, se reducirían en una gran medida los contaminantes. Piensa y explica Utiliza la tabla siguiente para contestar las siguientes preguntas: Tipo de basura Tiempo en que la naturaleza tardaría en degradarla (años) Papel 1 Colilla o filtro de cigarro 2 Chicle 5 Lata Más de 10 Corcholata o lata de aerosol Más de 30 Unicel o telgopor Más de 100 (no se degrada al 100%) Bolsa de plástico 150 Zapatos tenis 200 Botellas o recipientes de plástico 100 a 1000 (depende del tipo de plástico que sea) E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:186 Pilas o baterías Más de 1000 Vidrio 4000 6/30/06 7:48:17 AM Haz cuentas del tiempo en que tardaría en degradarse esta basura y discútelo en clase. Se espera que con estas nuevas tecnologías, el espacio para guardar información electrónica se reduzca de una manera drástica; por ejemplo, la información contenida en miles de CD podríamos tenerla en una pulsera. Seguir revolucionando la velocidad de los procesadores y al reducir su tamaño, disminuir también su costo de fabricación y de venta. Podríamos mejorar las baterías recargables, ya que el desperdicio de baterías no renovables es de los contaminantes más fuertes para el medio ambiente. Mejorar las celdas solares o de combustible también ayudaría al medio ambiente y al ser humano. Como químicos, un reto importante en relación con la nanociencia es que los materiales sintetizados sean estables tanto térmica como químicamente para poder tener cierto control sobre ellos, ya que cuanto menor sea el tamaño de la partícula con la que estemos trabajando, será mas fácil que se mueva o se contamine, o que se le agregue otra partícula no deseada. Hay una forma de impacto económico que relaciona a todas las ciencias: su costo. Para explicarlo, veamos cómo es un proceso común de investigación. Primero, surge la idea del científico, quien a su vez ve la posibilidad de experimentarlo en su laboratorio correspondiente. Para ello necesita equipos y materia prima, que en la actualidad son muy caros. Por eso necesita dinero del instituto, universidad o gobierno que lo esté apoyando. Es en estos laboratorios donde surge la nueva tecnología se hacen muchas pruebas según el material en cuestión. Digamos por ejemplo que el fin del material es para uso médico: una prótesis. Para ella es necesario realizar pruebas para observar si el nuevo material es tóxico o no para E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:187 6/30/06 7:48:18 AM el ser humano. Las pruebas se realizan primero en animales, y una vez aprobadas, se hacen grupos de muestreo en humanos. Por último, si el material cumple con las especificaciones necesarias para la salud humana, se programa su venta comercial. De ahí que el costo de las nuevas medicinas o de los nuevos materiales que contengan esta nueva tecnología sea tan elevado. Por desgracia, hay individuos que se aprovechan de esto y encarecen sin proporción alguna el mercado correspondiente. RESUMEN De esta forma, cada área tiene su enfoque o su ciencia afín a la cual se quiera hacer la investigación. Para los polímeros, algunas de las tantas ciencias relacionadas son la medicina (prótesis), los plásticos (bolsas, envolturas, etcétera), textiles, ingeniería, arquitectura, química de alimentos, diseño industrial, ciencia espacial, entre muchas otras. E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:188 6/30/06 7:48:19 AM Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Relaciona la ciencia de los nuevos materiales con lo que vayas a estudiar en la universidad. 2. Si después de haber leído este capítulo se te ocurrió algún otro invento distinto al que habías puesto al inicio del mismo, redáctalo de nuevo. 3. Si hablamos del invento que incluiste al inicio del capítulo o en la pregunta anterior, ¿qué áreas de otras ciencias estarían involucradas? 4. Para ese mismo invento, ¿qué prioridades le darías? Por ejemplo, que no afecte al medio ambiente, que sea en beneficio de la sociedad, que su producción no sea costosa ni económica ni ambientalmente… 5. Habla con tus compañeros sobre sus inventos y compárenlos. Hagan un grupo con los que exista una relación y unifiquen los inventos para que su equipo sea beneficiado, pero sin perjudicar a los demás. E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:189 6/30/06 7:48:21 AM E0319-Unidad 3.6.indd Sec1:190 6/30/06 7:48:22 AM E0319-Unidad 4.indd 191 6/30/06 7:49:06 AM El lenguaje de la química Lo que vamos a estudiar 4.1 El lenguaje de la química 4.1.1 Símbolos y fórmulas químicas E0319-Unidad 4.indd 192 6/30/06 7:49:12 AM ¡Activa tus ideas! panthera leo ¿Conoces el proceso eso para darle nombre científ ntífico a un animal determin minado? ¿Sabes qué hacee la IUPAC (por sus siglas en n in inglés)? E0319-Unidad 4.indd 193 6/30/06 7:49:16 AM 4.1 El lenguaje de la química La IUPAC (por sus siglas en inglés) es la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. La nomenclatura química es el sistema que permite nombrar a los compuestos químicos. Un compuesto es una sustancia que resulta de la combinación, en proporciones definidas, de dos o más elementos. En todos los ámbitos, tanto de la vida cotidiana como de las disciplinas científicas, sociales, artísticas y demás actividades humanas, ha sido necesario elaborar y convenir un lenguaje universal a fin de lograr una comunicación eficaz con la que se identifiquen hechos, conceptos y procedimientos. En el caso de la química, la nomenclatura de elementos y compuestos es una parte importante de su lenguaje, ya que toda la materia que existe en el Universo está formada por elementos y compuestos químicos. Así, puede decirse que la química va más allá de los confines de nuestro planeta y que la nomenclatura se aplica a todo tipo de materia, pues los elementos que la componen son los mismos. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés) se fundó en 1921 y desde entonces actúa como un árbitro que propone reglas o acuerdos para asignar el nombre a los nuevos elementos o compuestos que se descubran o se preparen. En este capítulo estudiaremos el sistema de nombres y fórmulas para sustancias inorgánicas, es decir, la nomenclatura química. Clasificación de los compuestos Una forma de simplificar la nomenclatura es una clasificación simple. Como hemos visto, existen múltiples formas de clasificar los compuestos químicos. Para los fines de este texto, los compuestos se clasificarán según el número de elementos que los formen, a saber: • Compuestos binarios: sustancias que sólo se componen de dos elementos. • Compuestos poliatómicos: sustancias que se componen de tres o más elementos. Compuestos binarios. A su vez, los compuestos binarios pueden ser iónicos y covalentes. Los compuestos binarios iónicos reciben el nombre de sales binarias. Las sales binarias no forman moléculas, sino agregados de iones unidos por la carga opuesta de sus iones. El compuesto será preponderadamente iónico si la diferencia de electronegatividades entre el metal y el no metal es mayor a 1.7. Cuando la diferencia de electronegatividades es menor a 1.7, los compuestos binarios serán preponderadamente covalentes y formarán compuestos moleculares. Aumento del carácter iónico 1.7 Aumento del carácter covalente Número de oxidación (nox). El número de oxidación es la carga que adquiere un átomo por intercambio de electrones de su capa de valencia para formar compuestos iónicos o covalentes. Esta carga se asigna como si se tratara de compuestos iónicos, es decir, asumiendo que el elemento más electronegativo será el anión y el menos electronegativo, el catión. A los elementos libres o sin combinar se les asigna un número de oxidación de cero. Número de oxidación de elementos representativos que forman iones. Cuando forman compuestos binarios iónicos, los elementos representativos que se combinan ceden o ganan electrones para formar iones positivos y negativos, respectivamente. La carga iónica, positiva E0319-Unidad 4.indd 194 6/30/06 7:49:24 AM o negativa, es el número de oxidación de los iones. Esta carga suele representarse como superíndice a la derecha del elemento en cuestión. En este proceso los iones adquieren, casi siempre, la configuración electrónica estable ns2np6, salvo en los casos de los elementos Li, Be y B. En éstos, la configuración estable es 1s2. Consideremos la formación del compuesto iónico NaF. Para el Na0 (electronegatividad ≈ 1) es más fácil ceder el electrón 3s1 y adquirir la configuración estable Na que ganar siete electrones. Na0 [1s22s22p63s1]0 → nox 0 Na [1s22s22p6] e nox 1 Para el F0 (electronegatividad ≈ 4) es más sencillo ganar un electrón para adquirir la configuración estable F que perder siete electrones. F0 [1s22s22p5]0 e → nox 0 F [1s22s22p6] nox 1 La diferencia de electronegatividades es mayor a 3 y, por lo tanto, se formará el compuesto iónico NaF. Compuestos binarios covalentes de los elementos representativos. La formación de compuestos binarios covalentes sólo ocurre cuando se combinan dos no metales. Aquí se comparten los electrones de la capa de valencia para dar lugar a enlaces covalentes de polaridad variable (entre 0.0, apolares, hasta 1.7, polares). Sólo se forman compuestos moleculares. En este caso, no siempre se adquiere la configuración estable ns2np6 al compartir los electrones de la capa de valencia. Número de oxidación de los elementos representativos que forman compuestos covalentes. Consideremos la formación de la molécula del agua. Aquí, dos átomos de hidrógeno (electronegatividad ≈ 2.1) comparten su electrón de valencia con los dos electrones de la capa de valencia de un átomo de oxígeno (electronegatividad ≈ 3.5) para formar dos enlaces covalentes H O polares, cuya diferencia de electronegatividades es de 1.4. Por lo tanto, el par de electrones compartido estará más cerca del átomo de oxígeno (el más electronegativo) que adquirirá una carga parcial negativa (2). Por su parte, el átomo de hidrógeno (el menos electronegativo) tendrá una carga parcial positiva (1). Estas cargas parciales corresponden a los números de oxidación, pero debes recordar que no son cargas iónicas, aunque se les considere así. Los números de oxidación posibles de los elementos representativos se compendian en la siguiente tabla: Tabla 1 Configuración electrónica Grupo E0319-Unidad 4.indd 195 1(IA) ns1 2(IIA) ns2 13(IIIA) ns2np1 14(IVA) ns2np2 15(VA) ns2np3 16(VIA) 17(VIIA) ns2np4 ns2np5 1 2 3 4 3 2 1 Número de . . . . oxidación . . . . 6/30/06 7:49:25 AM Grupo 1(IA) ns1 2(IIA) ns2 13(IIIA) ns2np1 14(IVA) ns2np2 15(VA) ns2np3 . . 16(VIA) 17(VIIA) ns2np4 ns2np5 4 Número de oxidación 5 . . . . . . 6 . 7 Como puedes ver, el número de oxidación de los elementos de los grupos 1(IA), 2(IIA) y 13(IIIA) son positivos y a partir del grupo 14(IVA) pueden tener números de oxidación negativos (cuando se combinan con elementos menos electronegativos) y positivos (cuando se combinan con elementos más electronegativos). El caso del hidrógeno es una excepción. Cuando se combina con los metales, su número de oxidación es 1 y cuando se combina con no metales más electronegativos que él, su nox es 1. Es conveniente recordar que la tendencia de los valores de electronegatividad va en aumento al recorrer de izquierda a derecha un periodo y al ascender por un grupo. Escritura de fórmulas de sales binarias La fórmula de las sales binarias se escribe utilizando los símbolos de los elementos que las componen y representa el número de átomos que entran en combinación. Primero se escribe el símbolo del elemento menos electronegativo seguido del elemento más electronegativo. Este último debe ser un no metal. Como recordarás, los no metales están separados de los metales por una “escalera” en la tabla periódica. Al combinar metales con metales, pueden formarse aleaciones (mezclas homogéneas sólidas). La proporción del número de átomos que entra en combinación se escribe como subíndice a la derecha del símbolo correspondiente. Esta proporción se puede determinar mediante los números de oxidación (nox) de sus elementos. Si sólo entra en combinación un átomo, no se escribe el subíndice que lo representa. Cuando se combina un elemento del grupo 1(IA), por ejemplo el K (nox 1) con uno del grupo 17(VIIA), como el Br (nox 1), la fórmula del compuesto que forman es KBr. Si se combina el Mg2 con el N3, la fórmula del compuesto es Mg3N2. Los subíndices son unitarios y no se indican KBr Elemento menos electronegativo Elemento más electronegativo Mg2N3 Subíndices que indican el número de átomos Ejercicios 1. Utiliza una tabla periódica y escribe en tu cuaderno 10 ejemplos distintos de fórmulas de compuestos binarios que estén formados por elementos de estos dos grupos (IA y VIIA). E0319-Unidad 4.indd 196 6/30/06 7:49:26 AM 2. ¿Cuáles serían los subíndices de la fórmula del compuesto que resultaría de la combinación de un elemento del grupo 2(IIA) con uno del grupo 17(VIIA)? Escribe en tu cuaderno 10 ejemplos de compuestos con estos grupos. 3. Dados los grupos de la tabla periódica del cuadro siguiente, llena los espacios en blanco para determinar la proporción atómica de los compuestos binarios que se forman. Recuerda que el primer grupo que aparece antes de los dos puntos es el menos electronegativo (metal o no metal) y el que está después, el más electronegativo (no metal). (Te ayudará recordar lo que trabajaste en el tema de las leyes ponderales). 1(IA):17(VIIA) Grupos 1(IA):15(VA) 1(IA):14(IVA) 2(IIA):15(VA) 2(IIA):14(IVA) 2:1 Proporción atómica 2(IIA):17(VIIA) Grupos 1(IA):16(VA) 2(IIA):16(VIA) 3:2 Proporción atómica 13(IIIA):17(VIIA) Grupos 13(IIIA):15(VA) 13(IIIA):14(IVA) 14(IVA):15(VA) 14(IVA):14(IVA) 2:3 Proporción atómica 14(IVA):17(VIIA) Grupos 13(IIIA):16(VIA) 14(IVA):17(VIA) 1:1 Proporción atómica 4. Una vez que hayas llenado los espacios del cuadro anterior, cerciórate de haber escrito la proporción correcta y da 10 ejemplos de cada proporción. De nuevo, es conveniente recordar que el hidrógeno puede tener un nox de 1 cuando se combina con metales y de 1 cuando lo hace con no metales más electronegativos que él. A continuación aparecen la fórmula del tipo de compuestos que se forman y su número de oxidación, donde el no metal es oxígeno. E0319-Unidad 4.indd 197 Fórmula del compuesto Número de oxidación de M M2O 1 MO 2 M2O3 3 MO2 4 M2O5 5 MO3 6 M2O7 7 6/30/06 7:50:10 AM 5. Consulta en una tabla periódica los estados de oxidación de los metales más comunes y escribe en tu cuaderno la fórmula de sus óxidos. Escritura de fórmulas de compuestos binarios covalentes Al igual que en los compuestos iónicos, primero se escribe el símbolo del elemento menos electronegativo seguido del más electronegativo. En este caso puedes utilizar la siguiente serie de no metales para saber cuál escribes primero y cuál a continuación. Si, B, P, H, C, Si, S, Se, I, Br, N, Cl, O, F. Como lo podrás advertir, están escritos en orden de electronegatividad creciente. También encontrarás que algunos no metales tienen electronegatividades iguales y te será difícil determinar qué símbolo escribes primero y cuál después. El oxígeno se combina con los no metales para formar muchos tipos de compuestos binarios; la fórmula de éstos puede generalizarse de la siguiente manera, donde X es el no metal : Fórmula del compuesto Número de oxidación del no metal (X) X2O 1 XO 2 X2O3 3 XO2 4 X2O5 5 XO3 6 X2O7 7 Es común que el oxígeno y los halógenos muy electronegativos F y Cl formen compuestos binarios con elevados estados de oxidación de estos elementos. Por ejemplo, ReF6, IrF6, SF6, Mn2O7, CrO3 RuO4, OsO4, MoCl5, WCl5. Casi todos los demás no metales forman compuestos con los metales en estados bajos de oxidación. 3(IIIB) 4(IVB) 5(VB) E0319-Unidad 4.indd 198 6(VIB) 7(VIIB) 2, 3, 6 Cr 2, 3, 4, 7 2, 3 Mn Fe 3 Sc 2, 3, 4 Ti 2, 3, 4 V 3 Y 2, 3, 4 Zr 3, 4, 5 2, 3, 4, 5, 6 Nb Mo 3 La 2, 3, 4 2, 3, 4, 5 2, 4, 5, 6 Hf Ta W 7 Tc 3, 5 Re 8 9 (VIIB) 10 11 12(IIB) (IB) 2, 3 Co 2, 3 Ni 1, 2 Cu 2 Zn 3 Rh 2, 3 Pd 1 Ag 2 Cd 2, 3, 4 1, 2, 3, 4 1, 2, 3, 4 1, 3 Os Ir Pt Au 1, 2 Hg 3, 5 Ru 6/30/06 7:50:12 AM 4.1.1 Símbolos y fórmulas químicas: Nomenclatura de los compuestos Desde que se conocieron y se utilizaron los compuestos químicos se intentó distinguirlos entre sí al asignarles nombres comunes con base en sus propiedades físicas, químicas y organolépticas o usos más destacados. También se recurrió a su origen. Ésta es una nomenclatura común y dice muy poco o nada acerca de la composición química; sin embargo, sigue siendo de uso ordinario entre químicos y legos en la materia. En la tabla 2 aparecen algunos ejemplos de nombres comunes de algunos compuestos y su composición química. Tabla 2. Nombres comunes, fórmulas y nombre químico de algunos compuestos de sustancias de uso corriente Nombre común Fórmula Nombre químico Acetileno C2H2 Etino Cal viva CaO Óxido de calcio Cal apagada Ca(OH)2 Hidróxido de calcio Agua H2O Agua Galena PbS Sulfuro plumboso Polvo para hornear NaHCO3 Hidrógeno carbonato de sodio Azúcar de mesa (azúcar de caña o remolacha) C12H22O11 Sacarosa (β–D–Fructofuranosil– D–glucopiranósido) Bórax Na2B4O7 . 10H2O Tetraborato de sodio decahidratado Flor de azufre S8 Azufre Calcita, mármol, piedra caliza CaCO3 Carbonato de calcio Cremor tártaro soluble Bitartrato de potasio Sal de Epsom K2HC4H4O6 MgSO . 7H O Cupricina CuCN Cianuro cuproso Sílice SiO2 Dióxido de silicio Azul de Prusia K4[Fe(CN)6]3 Ferrocianuro de potasio Ácido múcico C6H10O8 Ácido galactosacárico 4 2 Sulfato de magnesio heptahidratado Conforme ha avanzado la química, han aparecido propuestas de nomenclatura con base en la composición química, aunque también han sido rebasadas por alguna otra. La IUPAC ha tratado de unificar la nomenclatura química, pero en muchos casos, el nombre común sigue siendo utilizado. Por estas razones, se mencionarán las que más aparecen en todo tipo de publicaciones: • Nomenclatura antigua (clásica) • Nomenclatura de Stock • Nomenclatura IUPAC E0319-Unidad 4.indd 199 6/30/06 7:50:13 AM Nomenclatura antigua (clásica) de compuestos binarios Nomenclatura antigua de sales binarias. Como ya se mencionó, estas sales están formadas por un catión metálico casi siempre monoatómico y un anión no metálico, también monoatómico, por lo general. Como recordarás, en su fórmula primero se escribe el símbolo del catión y enseguida el del anión; sin embargo, su nombre comienza por el del anión. Por ejemplo: Nombre: cloruro de calcio { { Fórmula (catión anión) CaCl2 (anión catión) Nombre de los aniones. Para dar el nombre en ésta y las demás nomenclaturas (Stock y IUPAC) primero se menciona la raíz del nombre del anión al que se agrega el sufijo —uro, seguido del nombre del catión. A diferencia de los demás aniones, en el caso de los aniones del oxígeno, el sufijo es —ido. En el siguiente cuadro se compendia el nombre de los aniones monoatómicos más comunes. El oxígeno también forma iones diatómicos, pero el más común es el ión monoatómico O2. Aunque el hidrógeno realmente no forma sales binarias, es conveniente incluirlas aquí, ya que frente a los metales el hidrógeno forma el hidruro correspondiente y en algunos casos éste es iónico. Tabla 3. Nombre y símbolo de los elementos que forman aniones Elemento y símbolo Anión Nombre del anión Flúor F F Fluoruro Cloro Cl Cl Cloruro Bromo Br Br Bromuro Yodo I I Yoduro Oxígeno O O2 Óxido O2 2 Peróxido O2 Superóxido Azufre S S2 Sulfuro Selenio Se Se2 Selenuro Nitrógeno N 3 N Nitruro Hidrógeno H H Hidruro Nombre de los cationes. Cuando el catión tiene un solo estado de oxidación puede agregarse el sufijo —ico a la raíz del nombre del catión, o bien, mencionar la preposición de seguida del nombre del metal. En el siguiente cuadro aparecen los iones de los metales que forman un solo catión. Recuerda que el H sólo adquiere esta carga cuando está combinado con elementos no metálicos más electronegativos que él. E0319-Unidad 4.indd 200 6/30/06 7:50:13 AM Tabla 4. Símbolo y grupo de los elementos que forman un solo catión. Grupo 1(IA) Catión H 2(IIA) 3(IIIB) 11(IB) 12(IIB) 13(IIIA) 14(IVA 15(IIIA) Li Be2 B3 Na Mg2 Al3 K Ca2 Sc3 Rb Sr2 Y3 Cs Ba2 La3 *NH4 Zn2 Ag Cd2 In3 *Aunque el NH4 (ión amonio) no es exactamente un catión, se comporta como tal. Ejercicio Utiliza los iones de las tablas 3 y 4 para escribir la fórmula y el nombre de 20 sales binarias. Incluye también hidruros metálicos y sales de amonio. Nombre de los óxidos binarios. Como se mencionó, los compuestos binarios que forma el oxígeno con los metales (representativos o de transición) reciben el nombre de óxidos, peróxidos o superóxidos. Al igual que en las sales binarias, primero se menciona el nombre del anión; en este caso, óxido, peróxido o superóxido, seguido del nombre del catión. Cabe destacar que los únicos elementos que forman superóxidos son los metales alcalinos. Ejemplos CaO óxido cálcico u óxido de calcio CaO2 peróxido cálcico o peróxido de calcio Na2O óxido sódico u óxido de sodio Na2O2 peróxido sódico o peróxido de sodio Na2O2 superóxido sódico o superóxido de sodio Al2O3 óxido alumínico u óxido de aluminio Nomenclatura antigua (clásica) de sales binarias de metales que exhiben dos o más estados de oxidación. Al igual que en las sales donde el catión sólo tiene un estado de oxidación, primero se menciona el nombre del anión seguido del nombre del catión. Para distinguir los estados de oxidación del catión se utilizan los sufijos —oso (nox más bajo) e —ico (nox más alto). Cuando el no metal es oxígeno, el nombre es óxido. E0319-Unidad 4.indd 201 6/30/06 7:50:14 AM Ejemplos FeCl2 cloruro ferroso FeCl3 cloruro férrico CoBr2 CoF2 bromuro cobaltoso fluoruro cobaltoso CoF3 fluoruro cobáltico SnO SnO2 óxido estanoso óxido estánico Cu2S sulfuro cuproso CuS sulfuro cúprico Cu3N nitruro cuproso En esta nomenclatura, solamente se puede dar nombre a compuestos binarios con dos estados de oxidación. Nomenclatura de Stock de sales y óxidos binarios. En esta nomenclatura se menciona primero el nombre de la raíz del anión con el sufijo —uro; es decir, el nombre del anión es igual que en la nomenclatura antigua. Enseguida se menciona el nombre del catión y su estado de oxidación se escribe en número romano entre paréntesis. Cuando el no metal es oxígeno, el nombre es óxido. FeCl2 FeCl3 cloruro de hierro (II) cloruro de hierro (III) SnO SnO2 CoBr2 CoF3 MnO Mn2O3 MnO2 Mn2O7 óxido de estaño (II) óxido de estaño (IV) bromuro de cobalto (II) fluoruro de cobalto (III) óxido de manganeso (II) óxido de manganeso (III) óxido de manganeso (IV) óxido de manganeso (VII) Cu2S CuS Cu3N sulfuro de cobre (I) sulfuro de cobre (II) nitruro de cobre (I) En esta nomenclatura se puede dar nombre a todos los compuestos binarios. E0319-Unidad 4.indd 202 6/30/06 7:50:14 AM Nomenclatura IUPAC de sales y óxidos binarios. En esta nomenclatura se menciona primero el nombre de la raíz del anión con el sufijo —uro. Esto es, el nombre del anión es igual que en la nomenclatura antigua y la de Stock, sólo que aquí se indica el número de veces que aparece dicho anión con los prefijos di—, tri—, tetra, etcétera. A continuación se menciona el nombre del metal precedido del prefijo que indica el número de veces que aparece: FeCl2 FeCl3 dicloruro de hierro tricloruro de hierro SnO SnO2 óxido de estaño dióxido de estaño MnO Mn2O3 MnO2 Mn2O7 óxido de manganeso trióxido de dimanganeso dióxido de manganeso heptóxido de dimanganeso Cu2S sulfuro de dicobre CuS Cu3N sulfuro de cobre nitruro de tricobre Nomenclatura de compuestos binarios covalentes Si, B, P, H, C, Si, S, Se, I, Br, N, Cl, O, F Nomenclatura antigua (clásica). Para dar nombre a estos compuestos, primero se menciona la raíz del nombre del no metal que se encuentra a la derecha seguido del sufijo —uro y enseguida el nombre del no metal. Los compuestos de hidrógeno y oxígeno de los demás no metales se tratarán por separado. Escribe 10 ejemplos de compuestos binarios de los no metales, que no sean óxidos o compuestos de hidrógeno, y dales nombre. Combinación del hidrógeno con los no metales. El hidrógeno se combina con los no metales para formar compuestos binarios con características muy diferentes. Esto puede explicarse, en cierta forma, por la electronegatividad del átomo con que se combina y en consecuencia su nombre dependerá de esta particularidad. Por ejemplo: Compuesto E0319-Unidad 4.indd 203 Nombre Nombre disuelto en agua HF HCl HBr HI fluoruro de hidrógeno cloruro de hidrógeno ácido fluorhídrico ácido clorhídrico bromuro de hidrógeno yoduro de hidrógeno ácido bromhídrico ácido yodhídrico H2S H2Se H2Te sulfuro de hidrógeno selenuro de hidrógeno telururo de hidrógeno ácido sulfhídrico ácido selenhídrico ácido telurhídrico 6/30/06 7:50:15 AM NH3 PH3 amoníaco fosfina “hidróxido de amonio” AsH3 SbH3 arsina estibina arsenuro de hidrógeno o trihidruro de arsénico hidruro de antimonio CH4 metano SiH4 GeH4 silano germano SnH4 PbH4 estanano plumbano BH3 borano monosilano tetrahidruro de silicio Óxidos de los no metales. Los no metales forman muchos óxidos y en esta nomenclatura reciben el nombre de anhídridos. A continuación se dan los prefijos y sufijos que se agregan a la raíz del nombre del no metal con base en sus números de oxidación. Números de oxidación 1 2 3 5 4 6 7 Prefijo Sufijo hipo— —oso —oso —ico per — —ico Cuando el no metal presenta su estado de oxidación máximo, el sufijo siempre es —ico. Ejemplos E0319-Unidad 4.indd 204 Cl2O Cl2O3 ClO2 Cl2O5 Cl2O7 anhídrido hipocloroso anhídrido cloroso no tiene nombre en esta nomenclatura anhídrido clórico anhídrido perclórico SO anhídrido hiposulfuroso SO2 SO3 anhídrido sulfuroso anhídrido sulfúrico P2O3 (P4O6) P2O5 (P4O10) anhídrido fosforoso anhídrido fosfórico CO2 SiO2 anhídrido carbónico anhídrido silícico B2O3 anhídrido bórico 6/30/06 7:50:15 AM Ejercicio Consulta en una tabla periódica los números de oxidación de los demás no metales, escribe 20 ejemplos de anhídridos y dales nombre. Nomenclatura de Stock de óxidos de no metales. Se menciona la palabra óxido, a continuación la preposición de, enseguida el nombre del no metall y por último el número de oxidación del no metal entre paréntesis. Ejemplos Cl2O Cl2O3 óxido de cloro (I) óxido de cloro (III) ClO2 Cl2O5 óxido de cloro (IV) óxido de cloro (V) Cl2O7 óxido de cloro (VII) SO SO2 SO3 óxido de azufre (II) óxido de azufre (IV) óxido de azufre (VI) P4O6(P2O3) P4O10(P2O5) óxido de fósforo (III) óxido de fósforo (V) CO2 SiO2 óxido de carbono (IV) dióxido de silicio B2O3 óxido de boro (III) Nomenclatura IUPAC de los óxidos de los no metales. Primero se menciona la palabra óxido precedida del cardinal correspondiente, seguida del nombre del no metal, también precedido del cardinal correspondiente. Ejemplos E0319-Unidad 4.indd 205 Cl2O Cl2O3 ClO2 Cl2O5 Cl2O7 óxido de dicloro trióxido de dicloro dióxido de cloro pentóxido de cloro heptóxido de dicloro SO SO2 SO3 óxido de azufre dióxido de azufre trióxido de azufre 6/30/06 7:50:16 AM P2O3 (P4O6) P2O5 (P4O10) trióxido de difósforo (hexaóxido de tetrafósforo) pentóxido de difósforo (decaóxido de tetrafósforo) CO2 SiO2 dióxido de carbono dióxido de silicio B2O3 trióxido de diboro Compuestos poliatómicos Escritura de fórmulas de compuestos poliatómicos Compuestos que tienen tres tipos de átomos, incluido el oxígeno. Aunque aquí se utiliza el agua como medio para llegar a la fórmula de los compuestos con tres átomos que contienen oxígeno, no quiere decir que éste sea su método de preparación; no obstante, en algunos casos sí coincide. Partiremos del hecho de que se cumplen los siguientes procesos: Óxido no metálico H2O hidróxido no metálico (oxiácidos u oxoácidos) Óxido metálico H2O hidróxido metálico (básico, anfótero, ácido) Para abordar esta parte es necesario definir ácido y base de Arrhenius. Una base de Arrhenius es una sustancia que al disociarse produce iones hidroxilo (OH). Base: sustancia que en solución acuosa produce iones hidroxilo OH . Ácido: sustancia que en solución acuosa produce iones hidronio H. Anfótero: sustancia que en solución acuosa actúa como ácido frente a las bases y como base frente a los ácidos. Adición de agua a óxidos no metálicos. Iniciaremos con la adición de agua a óxidos no metálicos, con lo cual se generan hidróxidos ácidos (oxiácidos u oxoácidos). Un ácido de Arrhenius es una sustancia que al disociarse produce iones hidronio (H). Escritura de fórmulas de oxiácidos (oxoácidos). De nuevo, la adición de agua al óxido no metálico no significa que el oxiácido se pueda preparar por este método; aquí, éste se utilizará con la finalidad de escribir su fórmula. X representa el no metal combinado con el oxígeno. También es posible que no exista el óxido correspondiente, pero sí su oxiácido. Asimismo, quizás no exista el oxiácido, pero sí sus sales. Un caso más es la existencia de las sales de los oxiácidos sólo en solución acuosa. Óxidos X2O X2O Oxiácido Ejemplos HXO HClO HBrO HIO H2N2O2 H2 O H2X2O2 E0319-Unidad 4.indd 206 6/30/06 7:50:16 AM Óxidos XO XO Oxiácido Ejemplos H2XO2 H2SO2 Oxiácido Ejemplos HXO2 HClO2 HBrO2 HIO2 HNO2 Oxiácido Ejemplos H3XO3 H3BO3 H3PO3 H2 O H2XO2 Óxidos X2O3 X2O3 H2 O H2X2O4 X2O3 3H2O H6X2O6 H3AsO3 Óxidos XO2 XO2 Oxiácido Ejemplos H2XO3 H2CO3 H2SO3 H2SiO3 Oxiácido Ejemplos HXO3 HClO3 HBrO3 HIO3 HNO3 Oxiácido Ejemplos H4X2O7 H4P2O7 H2 O H2XO3 Óxidos X2O5 X2O5 H2 O H2X2O6 Óxidos X2O5 X2O5 2(H2 O) H4X2O7 E0319-Unidad 4.indd 207 6/30/06 7:50:17 AM Óxidos X2O5 X2O5 Oxiácido Ejemplos H3XO4 H3PO4 H3AsO4 Oxiácido Ejemplos H2XO4 H2SO4 H2SeO4 Oxiácido Ejemplos H6XO6 H6XO6 H6TeO6 X2O7 Oxiácido Ejemplos HXO4 HClO4 3(H2O) H6X2O8 Óxidos XO3 XO3 H2 O H2XO4 XO3 3(H2O) H2 O H2X2O8 HIO4 Nomenclatura de los oxiácidos (oxoácidos) Nomenclatura antigua El nombre de los ácidos es igual que el de los anhídridos, sólo que la palabra ácido sustituye a la de anhídrido. Ejemplos Anhídrido E0319-Unidad 4.indd 208 Ácido Fórmula Nombre Fórmula Nombre Cl2O anh. hipocloroso HClO ácido hipocloroso N2O3 anh. nitroso HNO2 ácido nitroso CO2 anh. carbónico H2CO3 ácido carbónico Br2O5 anh. brómico HBrO3 ácido brómico SO3 anh. sulfúrico H2SO4 ácido sulfúrico Cl2O7 anh. perclórico HClO4 ácido perclórico. 6/30/06 7:50:18 AM En general, el nombre antiguo de los ácidos orto— se menciona sin el prefijo. Por ejemplo: H3PO4 ácido fosfórico H3BO3 ácido bórico H3PO3 ácido fosforoso Ejercicio Escribe el nombre de los oxiácidos que aparecen en todos los ejemplos que se dieron en la sección sobre la escritura de fórmulas de oxiácidos. Nomenclatura de Stock En esta nomenclatura desaparecen los prefijos y sufijos de la nomenclatura antigua hipo—, —oso y per—. Sólo se conserva el sufijo —ico. El estado de oxidación del no metal en el óxido también se conserva y se calcula de la siguiente manera: 1. Al oxígeno —el no metal más electronegativo— siempre se le asigna un estado de oxidación 2, salvo en los peroxiácidos donde es 1. 2. Al hidrógeno siempre se le asigna el estado de oxidación 1. 3. Al no metal con que están combinados el H y el O2 se le asigna lo que resta como carga positiva entre los dos. 4. La suma de los números de oxidación debe ser igual a cero. Ejemplos Determinación de los números de oxidación de los átomos de los ácidos HNO2 y HNO3. Podemos separar la molécula de HNO2 siguiendo las etapas que se acaban de mencionar (1–4). HNO2 Separación de todos los componentes de manera individual para determinar el número de oxidación del “átomo central” (el nitrógeno). H Nx 2O2 1(1) x 2(2) 0 1x40 x 4 (número de oxidación del nitrógeno) Este número de oxidación, 4, se utiliza para darle nombre al HNO2 como ácido nítrico (IV), ya que el número de oxidación del nitrógeno es 4. E0319-Unidad 4.indd 209 6/30/06 7:50:18 AM HNO3 La molécula de HNO3 se separa de la misma forma. Es decir, se separan todos los componentes de manera individual para determinar el número de oxidación del “átomo central” (el nitrógeno). H Nx 3O2 1(1+) x 3(2–) 0 1x60 x 5 (número de oxidación del nitrógeno) Este número de oxidación, 5, se utiliza para darle nombre al HNO3 como ácido nítrico (V), ya que el número de oxidación del nitrógeno es 5. H3PO4 3H Px 4O2 3(1) x 4(2) 0 3x80 x 5 En consecuencia, el H3PO4 se llama ácido fosfórico (V); sin embargo, los ácidos HPO3 y H4P2O7 tendrían el mismo nombre, ya que el estado de oxidación del fósforo en éstos sería igual al del H3PO4. Veamos: HPO3 H Px 3O2 1(1) x 3(2) 0 1x60 x 5 (número de oxidación del fósforo) H4P2O7 4H 2P Px 7O2 4(1) 2x 7(2) 0 4 2x 14 0 2x70 x = 5 (número de oxidación del fósforo) Por lo tanto, esta nomenclatura no sería útil en casos como el presente. E0319-Unidad 4.indd 210 6/30/06 7:50:19 AM Ejemplos HClO HClO2 HClO3 HClO4 ácido clórico (I) ácido clórico (III) ácido clórico (V) ácido clórico (VII) H2SO3 H2SO4 ácido sulfúrico (IV) ácido sulfúrico (VI) Nomenclatura IUPAC En esta nomenclatura, que a pesar de su sencillez no ha sido muy aceptada, los ácidos se consideran como compuestos de hidrógeno (sales de hidrógeno). Esta nomenclatura puede resumirse en las siguientes reglas. 1. La palabra ácido no se menciona. 2. El nombre comienza con el oxígeno al que se da el nombre de oxo. El número de veces que aparece el oxígeno se indica mediante el prefijo adecuado. 3. A continuación se menciona la raíz del átomo central a la que se agrega el sufijo —ato. 4. Por último, se menciona la palabra hidrógeno precedida del prefijo que señale las veces que aparece. También, en ocasiones se acepta la alternativa II, una mezcla de las nomenclaturas antigua e IUPAC, que aparece de la siguiente manera: E0319-Unidad 4.indd 211 Alternativa I Alternativa II HClO oxoclorato de hidrógeno clorato de hidrógeno HNO2 dioxonitrato de hidrógeno nitrato de hidrógeno H3BO3 trioxoborato de trihidrógeno H2CO3 trioxocarbonato de dihidrógeno HBrO3 trioxobromato de hidrógeno H2SO4 tetraoxosulfato de dihidrógeno HClO4 tetraoxoclorato de hidrógeno HPO3 trioxofosfato de hidrógeno H4P2O7 tetraoxodifosfato de tetrahidrógeno pirofosfato de tetrahidrógeno H3PO4 trioxofosfato de trihidrógeno ortofosfato de trihidrógeno carbonato de dihidrógeno sulfato de dihidrógeno 6/30/06 7:50:19 AM Oxisales (oxosales) neutras Pueden definirse como compuestos que resultan de la sustitución total de los hidrógenos ácidos H (protones) de los oxiácidos por iones metálicos. La porción restante del ácido recibe el nombre de oxianión. Para escribir la fórmula de las oxisales se hará lo siguiente: 1. Separar los hidrógenos ácidos H (protones) de la fórmula del oxiácido para obtener el oxianión correspondiente. Ejemplos HNO3 Hay un solo hidrógeno al que se le asigna la carga 1. Por consiguiente, el oxianión es el NO31 y su carga tendrá que ser de 1 (para neutralizar la carga positiva del H). La suma de las cargas (positiva y negativa) debe ser igual a cero. H (NO3) 0 1 1 0 El oxianión es el NO31 H2SO4 2H SO42 0 2 2 0 El oxianión es el SO42 H4P2O7 4H P2O74 0 4+ + 4 0 El oxianión es el P2O74 2. Efectuar la neutralización eléctrica de la carga negativa del oxianión por iones metálicos para obtener la fórmula de la sal neutra. Es una sal neutra porque la carga del catión neutraliza por completo a la del oxianión. Por lo tanto, la suma de las cargas del catión y del anión debe ser igual a cero. Observa cómo el coeficiente que aparece antes del catión o del oxianión se escribe como subíndice. Cuando te pidan que separes los cationes y los aniones de las sales debes escribirlos de esta manera: Si el catión es Na Na NO31 NaNO3 1(1) 1(1) 0 (1) (1) 0 E0319-Unidad 4.indd 212 6/30/06 7:50:20 AM 2Na⫹ ⫹ SO42⫺ ⫽ Na2SO4 2(1⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 4Na⫹ ⫹ P2O74⫺ ⫽ Na4P2O7 (4⫹) ⫹ (4⫺) ⫽ 0 Si el catión es Mg2⫹ Mg2⫹ ⫹ 2(NO31⫺) ⫽ Mg(NO3)2 1(2⫹) ⫹ 2(1⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 Mg2⫹ ⫹ SO42⫺ ⫽ MgSO4 1(2⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 2Mg2⫹ ⫹ P2O74⫺ ⫽ Mg2P2O7 2(2⫹) ⫹ 1(4⫺) ⫽ 0 (4⫹) ⫹ (4⫺) ⫽ 0 Si el catión es Fe3⫹ Fe3⫹ ⫹ 3(NO31⫺) ⫽ Fe(NO3)3 1(3⫹) ⫹ 3(1⫺) ⫽ 0 (3⫹) ⫹ (3⫺) ⫽ 0 2Fe3⫹ ⫹ 3(SO42⫺) ⫽ Fe2(SO4)3 2(3⫹) ⫹ 3(2⫺) ⫽ 0 (6⫹) ⫹ (6⫺) ⫽ 0 4Fe3⫹ ⫹ 3(P2O74⫺) ⫽ Fe4(P2O7)3 4(3⫹) ⫹ 3(4⫺) ⫽ 0 (12⫹) ⫹ (12⫺) ⫽ 0 Nomenclatura de las oxisales neutras Nomenclatura antigua (clásica). Primero se menciona el nombre del oxianión, el cual se asigna con base en los prefijos y sufijos del nombre de los ácidos de los que provienen. A continuación se menciona el nombre del catión con los sufijos correspondientes —oso — o —ico. Recuerda que esto último sólo se hace si el catión tiene más de un estado de oxidación. E0319-Unidad 4.indd 213 6/30/06 7:51:45 AM Tabla 5. Asignación de los prefijos y sufijos de los oxianiones con base en el nombre de los oxiácidos de que provienen. Oxiácido Oxianión Prefijo Sufijo Prefijo Sufijo hipo– –oso hipo– –oso –ito –ito –ato –ato –ato –ato –ato –ito per– piro– meta– orto– –ico –ico –ico –ico –ico per– piro– meta– orto– orto– –oso orto– Tabla 6. Ejemplos de los nombres de algunos oxianiones Oxiácido Nombre del oxiácido Oxianión Nombre del oxianión HClO HNO2 H2SO4 HClO4 H4P2O7 H3PO3 HPO3 Ácido hipocloroso Ácido nitroso Ácido sulfúrico Ácido perclórico Ácido pirofosfórico Ácido fosforoso Ácido metafosfórico ClO⫺ NO2⫺ SO42⫺ ClO4⫺ P2O74⫺ PO33⫺ PO3⫺ Hipoclorito Nitrito Sulfato Perclorato Pirofosfato Fosfito Metafosfato Escribe el nombre de los oxianiones de todos los ejemplos de las de fórmulas de oxiácidos. (Pág. 208-211). Tabla 7. E Ejemplos de nombres antiguos de algunas oxisales neutras Fórmula Nombre Fórmula Nombre NaClO* Ca(ClO)2 Hipoclorito de sodio Hipoclorito de calcio BeSeO4 Co3(AsO4)2 Selenato de berilio Arsenato cobaltoso Mg(ClO3)2 NaClO4 Clorato de magnesio Perclorato de sodio MnCO3 Ni(NO3)2 Carbonato manganoso Nitrato niqueloso Ca(H2PO2)2 MgSeO2 Ti2(SO4)3 CrSO4 Cr2(SO4)3 Hipofosfito de calcio Selenito de magnesio Sulfato titanoso Sulfato cromoso Sulfato crómico Sc(NO3)3 Zr(SO4)2 Fe4(P2O7)3 FePO4 Nitrato de escandio Sulfato de zirconio Pirofosfato férrico Fosfato férrico *Sólo existe en solución acuosa E0319-Unidad 4.indd 214 6/30/06 7:51:47 AM Nomenclatura de Stock. En esta nomenclatura desaparecen los prefijos y sufijos de la nomenclatura antigua hipo—, —oso y per—. Sólo se conserva el sufijo —ico. El estado de oxidación del no metal en la oxisal también se conserva y se calcula igual que en el caso de los oxiácidos. El estado de oxidación del ión metálico se determina con base en la carga del oxianión: Ejemplo Ti2(SO4)3 Carga total del oxianión (SO4)2⫺ 3(2⫺) ⫽ 6⫺ Por lo tanto, la carga total del catión debe ser 6⫹ Como hay dos iones de Ti, su estado de oxidación debe ser 6⫹/2 ⫽ 3⫹ 2Ti3⫹ ⫹ 3(SO4)2⫺ ⫽ Fe2(SO4)3 2(3⫹) ⫹ 3(2⫺) ⫽ 0 (6⫹) ⫹ (6⫺) ⫽ 0 En consecuencia: 2Ti3⫹ ⫹ 3S6⫹ ⫹ 3(4)O2⫺ ⫽ 0 2(3⫹) ⫹ 3(6⫹) ⫹ 12(2⫺) ⫽ 0 De manera estricta, este compuesto debería recibir el nombre de sulfato (VI) de titanio (III) en la nomenclatura de Stock, pero se acepta el híbrido sulfato de titanio (III). El vocablo híbrido indica que se trata de una mezcla de las nomenclaturas antigua y de Stock. Esta nomenclatura híbrida es de uso muy generalizado. Ejercicio Utiliza las nomenclaturas de Stock e híbrida para dar nombre a los siguientes compuestos: Fórmula Nombre Stock Nombre Stock alternativo NaClO* Ca(ClO)2 Mg(ClO3)2 NaClO4 Ca(H2PO2)2 MgSeO2 *Sólo existe en solución acuosa E0319-Unidad 4.indd 215 6/30/06 7:51:48 AM Fórmula Nombre Stock Nombre Stock alternativo Ti2(SO4)3 CrSO4 Cr2(SO4)3 BeSeO4 Co3(AsO4)2 MnCO3 Ni(NO3)2 Sc(NO3)3 Zr(SO4)2 Nomenclatura IUPAC de oxosales neutras. Para ilustrar esta nomenclatura tomaremos como ejemplo la oxosal Na2SO4 y seguiremos paso a paso las siguientes reglas: 1. Se indica el número de átomos de oxígeno presentes como oxo—, precedido por el prefijo que lo indique. Junto con el oxígeno se menciona la raíz del nombre del átomo central a la que se agrega el sufijo —ato. En el caso que nos ocupa sería: tetraoxosulfato 2. Se menciona el catión precedido por el prefijo que indique las veces que aparece. En este caso es disodio. Por lo tanto, la oxosal Na2SO4 recibe el nombre de: tetraoxosulfato de disodio 3. Si la oxosal es Ca(NO3)2, el subíndice fuera del paréntesis se indica con los prefijos bis—, tris—, tetraquis—, etcétera. Así, esta oxosal recibe el nombre de: bis—(trioxonitrato) de calcio 4. Si la oxosal fuera K2Cr2O7 recibiría el nombre de: heptaoxodicromato de dipotasio Nota importante. Así como se aceptan híbridos en la nomenclatura de Stock, aquí ocurre lo mismo. Por ejemplo, la oxosal V2(SO4)3 recibe el nombre de trisulfato de divanadio. Estrictamente debería llamarse tris—(tetraoxosulfato) de divanadio. Ejercicio Llena los espacios de la tabla siguiente con los nombres que se piden. Fórmula Nombre IUPAC Nombre IUPAC alternativo NaClO* Ca(ClO)2 Mg(ClO3)2 E0319-Unidad 4.indd 216 6/30/06 7:51:49 AM Fórmula Nombre IUPAC Nombre IUPAC alternativo NaClO4 Ca(H2PO2)2 MgSeO2 Ti2(SO4)3 CrSO4 Cr2(SO4)3 BeSeO4 Co3(AsO4)2 MnCO3 Ni(NO3)2 Sc(NO3)3 Zr(SO4)2 Hidróxidos metálicos Escritura de fórmulas. Como recordarás, cuando iniciamos la escritura de fórmulas de compuestos que tienen tres átomos, incluido el oxígeno, habíamos partido del hecho de que un óxido metálico con agua genera un hidróxido metálico. También recordarás que mencionamos que no es el método de preparación de los hidróxidos, aunque en algunos casos coincide. Esto quedó resumido en la página 206 como: M2O ⫹ H2O ⫽ hidróxido metálico (básico, anfótero, ácido) Base: sustancia que genera iones hidróxido (OH)⫺ en solución acuosa y reacciona con los ácidos en este medio formando una sal y agua. Ácido: sustancia que genera iones hidronio (H3O)⫹ en solución acuosa y reacciona con las bases en este medio para dar una sal y agua. (El ión H⫹ en solución se vuelve H3O⫹) Anfótero: sustancia que en solución acuosa actúa como ácido frente a las bases y como base frente a los ácidos. En ambas situaciones se forman una sal y agua. De nuevo, la adición de agua al óxido metálico no significa que el hidróxido metálico se pueda preparar por este método. Aquí se utilizará éste con la finalidad de escribir su fórmula. M representa al metal combinado con el oxígeno. También es posible que no exista el óxido correspondiente, pero sí su hidróxido metálico. También es posible que el hidróxido metálico no exista, aunque sus sales sí. Un caso más es la existencia de las sales de los hidróxidos sólo en solución acuosa. Óxidos M2O Hidróxido metálico Ejemplos M2O ⫹ OH2 M2O2H2 E0319-Unidad 4.indd 217 MOH LiOH NaOH KOH RbOH CsOH 6/30/06 7:51:49 AM Óxidos MO MO + OH2 MO2H2 M(OH)2 Be(OH)2 Mg(OH)2 Ca(OH)2 Sr(OH)2 Ba(OH)2 Fe(OH)2 Pb(OH)2 V(OH)2 Mn(OH)2 Co(OH)2 Ni(OH)2 Cu(OH)2 Zn(OH)2 Cd(OH)2 Sn(OH)2 Pb(OH)2 (anfótero) H2ZnO2 (anfótero) H2CdO2 (anfótero) H2SnO2 (anfótero) H2PbO2 Óxidos M2O3 Hidróxido metálico Ejemplos M2O3 ⫹ OH2 M2O4H2 MO(OH) AlO(OH) anfótero (HAlO2) GaO(OH) anfótero (HGaO2) FeO(OH) básico AuO(OH) anfótero (HAuO2) ScO(OH) (l básico) M(OH)3 Al(OH)3 Ga(OH)3 Fe(OH)3 Sc(OH)3 Y(OH)3 La(OH)3 V(OH)3 Cr(OH)3 Au(OH)3 (l ⫽ ligeramente básico) M2O3 ⫹ O3H6 M2O6H6 E0319-Unidad 4.indd 218 anfótero H3AlO3 anfótero H3GaO3 básico (no se conoce) (l básico) (básico) (básico) (básico) (anfótero) (H3CrO3) (ácido) mejor H3AuO3 6/30/06 7:51:50 AM Óxidos MO2 ⫹ O2H4 M(OH)4 M(OH)4 Ti(OH)4 Zr(OH)4 Hf(OH)4 SnO(OH)2 Pb(OH)4 (ácido) H4TiO4 (anfótero) (ácido) H2SnO3 (ácido) H4PbO4 o H2PbO3 Óxidos M2O5 ⫹ H2 O H2M2O6 HMO3 HVO3 H2V4O11 HNbO3 HTaO3 H2MO4 H2CrO4 H2Cr2O7 H2MoO4 H2WO4 H2MnO4 Óxidos MO3 ⫹ H2 O H2MO4 Óxidos M2O7 ⫹ H2 O H2M2O8 HMO4 HTcO4 HReO4 HMnO4 Nomenclatura de hidróxidos metálicos Hidróxidos básicos (bases) Nomenclatura antigua. Todos los compuestos del tipo MOH M(OH)2, M(OH)3 que forman los metales reciben el nombre de hidróxidos. Los sufijos —oso e —ico se siguen aplicando a los elementos con dos estados de oxidación. Cuando hay anfoterismo la fórmula del hidróxido es la misma, sólo que se escribe como si fuera ácido. Por ejemplo, H2MO2, H3MO3. Nomenclatura de Stock. En esta nomenclatura, todos los compuestos MOH M(OH)2, M(OH)3 también reciben el nombre de hidróxidos. Cuando los elementos metálicos que forman hidróxidos tienen varios estados de oxidación, éstos se indican con número romano entre paréntesis. Nomenclatura IUPAC. El nombre comienza con la palabra hidróxido precedida del prefijo que indique el número de grupos hidróxido presentes (—OH) y a continuación el nombre del ión metálico al que están unidos. En el siguiente cuadro se dan ejemplos de hidróxidos metálicos mediante los tres sistemas de nomenclatura: E0319-Unidad 4.indd 219 6/30/06 7:51:50 AM Fórmula Nombre antiguo Nombre Stock Nombre IUPAC NaOH Hidróxido de sodio Hidróxido de sodio Hidróxido de sodio KOH Hidróxido de potasio Hidróxido de potasio Hidróxido de potasio Mg(OH)2 Hidróxido de magnesio Hidróxido de magnesio Dihidróxido de magnesio Cu(OH)2 Hidróxido cúprico Hidróxido de cobre (II) Dihidróxido de cobre Fe(OH)2 Hidróxido ferroso Hidróxido de hierro (II) Dihidróxido de hierro Al(OH)3 Hidróxido de aluminio Hidróxido de aluminio Trihidróxido de aluminio La(OH)3 Hidróxido de lantano Hidróxido de lantano Trihidróxido de lantano Fe(OH) Hidróxido férrico Hidróxido de hierro (III) Sn(OH)2 Hidróxido estanoso Hidróxido de estaño (II) Dihidróxido de estaño Algunos hidróxidos son anfóteros y, por consiguiente, el mismo compuesto se comporta como base y como ácido. Los hidróxidos anfóteros que aparecen en la siguiente tabla son algunos ejemplos; para darles nombre se emplea la nomenclatura antigua. Fórmula como hidróxido Nombre como hidróxido Fórmula como ácido Nombre como ácido Al(OH)3 Hidróxido de aluminio H3AlO3 Ácido ortoalumínico HAlO2 Ácido metalumínico AlO(OH) Zn(OH)2 Hidróxido de cinc H2ZnO2 Ácido cínquico Cd(OH)2 Hidróxido de cadmio H2CdO2 Ácido cádmico Sn(OH)2 Hidróxido estanoso H2SnO2 Ácido estanoso Pb(OH)2 Hidróxido plumboso H2PbO2 Ácido plumboso Sn(OH)4 Hidróxido estánico H2SnO3 Ácido estánico Pb(OH)4 Hidróxido plúmbico H2PbO3 Ácido plúmbico Casi todos los hidróxidos de los metales en un alto estado de oxidación tienen carácter ácido y, por consiguiente, se les da el nombre de oxiácidos en lugar de hidróxidos. La nomenclatura de estos compuestos sigue los mismos lineamientos que se dieron para los oxiácidos (véase la nomenclatura de oxisales neutras). En el siguiente cuadro se dan ejemplos de oxiácidos metálicos con su nombre en las tres nomenclaturas que hemos estado utilizando. E0319-Unidad 4.indd 220 Fórmula Nombre antiguo Nombre Stock Nombre IUPAC H3AlO3 Ácido ortoalumínico Trioxoaluminato de trihidrógeno HAlO2 Ácido metalumínico Dioxoaluminato de hidrógeno H2ZnO2 Ácido cínquico Dioxocincato de dihidrógeno 6/30/06 7:51:51 AM Fórmula Nombre antiguo Nombre Stock Nombre IUPAC H2CdO2 Ácido cádmico H2SnO2 Ácido estanoso Ácido estánico (II) Dioxoestanato de dihidrógeno H2PbO2 Ácido plumboso Ácido plúmbico (II) Dioxoplumbato de dihidrógeno H2SnO3 Ácido estánico Ácido estánico (IV) Trioxoestanato de dihidrógeno H2PbO3 Ácido plúmbico Ácido plúmbico (IV) Trioxoplumbato de dihidrógeno H2TiO3 Ácido metatitánico Trioxotitanato de dihidrógeno H4TiO4 Ácido ortotitánico Teraoxotitanato de tetrahidrógeno HVO3 H2V4O11 Ácido metavanádico Ácido tetravanádico Trioxovanadato de hidrógeno HNbO3 Ácido nióbico Ácido nióbico (V) Trioxoniobato de hidrógeno H2CrO4 Ácido crómico Ácido crómico (VI) H2Cr2O7 Ácido dicrómico Ácido dicrómico (VI) Tetraoxocromato de dihidrógeno Cromato de dihidrógeno H2MoO4 Ácido molíbdico Ácido molíbdico (VI) Tetraoxomolibdato de dihidrógeno Cromato de dihidrógeno H2WO4 Ácido túngstico Ácido wolfrámico Ácido túngstico (VI) Tetraoxowolframato de dihidrógeno Tungstato de dihidrógeno HMnO4 Ácido permangánico Ácido mangánico (VII) Tetraoxomanganato de hidrógeno HReO4 Ácido perrénico Ácido rénico (VII) Tetraoxorenato de hidrógeno H2MnO4 Ácido mangánico Ácido mangánico (VI) Tetraoxomanganato de dihidrógeno Dioxocadmiato de dihidrógeno Sales neutras de los oxiácidos (oxoácidos) no metálicos Escritura de fórmulas Se siguen los mismos pasos que para las oxisales neutras: 1. Separación de los hidrógenos ácidos H⫹ (protones) de la fórmula del oxiácido para obtener el oxianión correspondiente. E0319-Unidad 4.indd 221 6/30/06 7:51:51 AM Ejemplos HVO3 Hay un solo hidrógeno al que se le asigna la carga 1⫹. Por consiguiente, el oxianión es el VO31⫺ y su carga tendrá que ser de 1⫺ (para neutralizar la carga positiva del H⫹). La suma de las cargas (positiva y negativa) debe ser igual a cero. H⫹ ⫹ (VO3)⫺ ⫽ 0 1(1⫹) ⫹ 1( 1⫺) ⫽ 0 El oxianión es el VO31⫺ H2CrO4 2H⫹ ⫹ CrO42⫺ ⫽ 0 2(1⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 El oxianión es el CrO42⫺ H2Cr2O7 2H⫹ ⫹ Cr2O72⫺ ⫽ 0 2(1⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 El oxianión es el Cr2O72⫺ H2TiO3 2 H⫹ ⫹ TiO32⫺ ⫽ H2TiO3 1(2⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 El oxianión es TiO32⫺ HMnO4 H⫹ ⫹ MnO4⫺ ⫽ 0 1(1⫹) ⫹ 1(1⫺) ⫽ 0 El oxianión es MnO4⫺ H2MoO4 2H⫹ ⫹ MoO42⫺ ⫽ 0 2(1⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 El oxianión es el MoO42⫺ 2. Neutralización eléctrica de la carga negativa del oxianión por iones metálicos o iones positivos, como el NH4⫹, para obtener la fórmula de la sal neutra. Es una sal neutra porque la carga del catión neutraliza por completo a la del oxianión. Por lo tanto, la E0319-Unidad 4.indd 222 6/30/06 7:51:52 AM suma de las cargas del catión y del anión debe ser igual a cero. Observa cómo el coeficiente que aparece antes del catión o del oxianión se escribe como subíndice. Cuando te pidan que separes los cationes y los aniones de las sales debes escribirlos de esta manera. Si el catión es NH4⫹ NH4⫹ ⫹ VO31⫺ ⫽ NH4 VO3 1(1⫹) ⫹ 1(1⫺) ⫽ 0 (1⫹) ⫹ (1⫺) ⫽ 0 El catión es Na⫹ 2Na⫹ ⫹ CrO42⫺ ⫽ Na2CrO4 2(1⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 El catión es K⫹ 2K⫹ ⫹ Cr2O72⫺ ⫽ K2 Cr2O7 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 Si el catión es Ba2⫹ Ba2⫹ ⫹ TiO32⫺ ⫽ BaTiO3 1(2⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 Ba2⫹ ⫹ MnO41⫺ ⫽ Ba(MnO4)2 1(2⫹) ⫹ 2(1⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 El catión es Ca2⫹ Ca2⫹ ⫹ MoO42⫺ ⫽ CaMoO4 1(2⫹) ⫹ 1(2⫺) ⫽ 0 (2⫹) ⫹ (2⫺) ⫽ 0 Si el catión es Fe3⫹ 2Fe3⫹ ⫹ 3(CrO42⫺) ⫽ Fe2(CrO4)3 2(3⫹) ⫹ 3(2⫺) ⫽ 0 (6⫹) ⫹ (6⫺) ⫽ 0 E0319-Unidad 4.indd 223 6/30/06 7:51:53 AM Nomenclatura de las oxisales neutras La nomenclatura es igual para oxisales que en vez de un no metal tienen un metal. Nomenclatura antigua (clásica). Primero se menciona el nombre del oxianión, el cual se asigna con base en los prefijos y sufijos del nombre de los oxiácidos de los que provienen. A continuación se menciona el nombre del catión con los sufijos correspondientes —oso o —ico. Recuerda que esto último sólo se hace si el catión tiene más de un estado de oxidación. Tabla 8. Asignación de los prefijos y sufijos de los oxianiones con base en el nombre de los oxiácidos de que provienen. Oxiácido Prefijo Sufijo Oxianión Prefijo Sufijo –oso –ito –ico –ato per– –ico per– –ato piro– –ico piro– –ato meta– –ico meta– –ato orto– –ico orto– –ato orto– –oso orto– –ito Tabla 9. Ejemplos de los nombres de algunos oxianiones Oxiácido Nombre del oxiácido Oxianión Nombre del oxianión H3AlO3 Ácido ortoalumínico AlO33⫺ Ortoaluminato HAlO2 Ácido metalumínico AlO2⫺ Metaluminato H2ZnO2 H2CdO2 H2SnO2 Ácido cínquico Ácido cádmico Ácido estanoso Cincazo 2⫺ Cadmiato 2⫺ Estanito 2⫺ Plumbito ZnO2 CdO2 SnO2 H2PbO2 Ácido plumboso PbO2 H2SnO3 Ácido estánico SnO32⫺ H2PbO3 Ácido plúmbico H2TiO3 H4TiO4 PbO3 2⫺ Metatitanato Ortotitanato TiO 1⫺ 3 Ácido metavanádico VO HNbO3 Ácido nióbico NbO31⫺ H2CrO4 H2MoO4 Ácido dicrómico Ácido crómico Ácido molíbdico Plumbato 4⫺ TiO Ácido ortotitánico Estanato 2⫺ 3 HVO3 H2Cr2O7 E0319-Unidad 4.indd 224 2⫺ Metavanadato Metaniobato 2⫺ 7 Dicromato 2⫺ Cromato 2⫺ 4 Molibdato 2⫺ Tungstato Cr2O CrO4 MoO H2WO4 Ácido túngstico WO4 HMnO4 Ácido permangánico MnO41⫺ Permanganato 6/30/06 7:51:53 AM Compuestos que contienen cuatro tipos de átomos Oxisales ácidas. Este tipo de oxisales sólo existe para ácidos con más de un hidrógeno sustituible, como H2CO3, H2SO3, H3PO4, etcétera. También existe para ácidos binarios con las mismas características (H2S, H2Se). Aunque estos últimos deberían clasificarse como compuestos con tres átomos, los incluiremos aquí por las semejanzas con las oxisales ácidas. Pueden definirse como compuestos que resultan de la sustitución parcial de los hidrógenos ácidos H⫹ (protones) de los oxiácidos por iones metálicos. La porción restante del ácido es otro oxianión. Escritura de fórmulas de sales ácidas Ácido Anión “ácido” H2CO3 HCO3⫺ H2SO3 HSO3⫺ H2SO4 HSO4⫺ H2S HS⫺ H2Se HSe⫺ H3PO4 H2PO4⫺ HPO42⫺ Igual que en la escritura de las oxisales neutras, el catión precede al anión “ácido”. Ejemplos NaHCO3 KHS Ca(HSO3)2* KHSO3 NaHSO4 NaH2PO4 BaHPO4 *Sólo existe en solución acuosa E0319-Unidad 4.indd 225 6/30/06 7:51:54 AM Completa la siguiente tabla y dales nombre a los compuestos resultantes. Indica también el tipo de nomenclatura que se utiliza. Aniones ClO4ⴚ ClO2ⴚ CrO42ⴚ HPO32ⴚ SO32ⴚ SO42ⴚ OHⴚ CNⴚ Cationes K⫹ KClO4 KClO2 K2CrO4 K2HPO3 K2SO3 K2SO4 KOH KCN Clorato de Clorito de Cromato Fosfito Sulfito de Sulfato de Hidróxido Cianuro potasio potasio de potasio ácido de potasio potasio de potasio de potasio potasio Mg2⫹ Cu2⫹ CuPO3 Cu⫹ Hg⫹ Cu2SO4 Sulfato cuproso Clorito de mercurio I Hg2⫹ Fe2⫹ Fe3⫹ E0319-Unidad 4.indd 226 Fe2(SO3)3 Sulfito férrico 6/30/06 7:51:54 AM Aniones ClO4ⴚ ClO2ⴚ CrO42ⴚ HPO32ⴚ SO32ⴚ SO42ⴚ OHⴚ CNⴚ Cationes Al3⫹ Hidróxido de aluminio Sr2⫹ Cd2⫹ E0319-Unidad 4.indd 227 6/30/06 7:51:55 AM ¡Activa tus ideas! ¿Qué sustancia se llibera en el sistema nervioso oso central y reacciona cuand ando nos enojamos? La dopamina, la nore y la feniletilamina so ompuestos químicos quee producen aceleración del corazón, enrojecimiento de la piel y sudoración en lass m manos, como en el enamora oramiento. E0319-Unidad 4.2.indd 229 6/30/06 7:54:18 AM 4.2.1 Reacción química Muchos de los procesos que tienen lugar en nuestro entorno son transformaciones de las sustancias, las cuales sólo pueden experimentar cambios de apariencia o convertirse en otras completamente distintas. Por ejemplo, ¿qué ocurre cuando fundes parafina por medio de calor? ¿Qué ocurre cuando introduces una tableta efervescente en agua? ¿Se modifica o no la composición de las partículas de la parafina o la tableta? ¿Cómo saberlo? Otra pregunta interesante podría ser: ¿los procesos biológicos son fundamentalmente reacciones químicas o procesos físicos? Y así podemos continuar, poniendo un poco de atención a fin de descubrir algunos de estos cambios. Pero no es sencillo determinar si sólo se trata de cambios de apariencia de las sustancias o si se trasformaron en otras muy diferentes. La reacción química puede definirse como un proceso en el cual una o más sustancias (reactivos) se transforman en otras absolutamente distintas (productos) a las de partida. Para expresar estos cambios se utilizan las fórmulas químicas de las sustancias a fin de hacer más sencilla la interpretación de lo que ocurre en las reacciones químicas. Los reactivos y productos se separan mediante una flecha. Los reactivos se escriben antes de la flecha, los productos después de ésta. A⫹B→C⫹D También se puede indicar entre paréntesis el estado físico tanto de reactivos como de productos, así como de alguna condición que haga más explícitas las condiciones en que ocurre la reacción. Sólido (s), líquido (l), gas (g), medio acuoso (ac) se escriben luego de la fórmula de reactivos y productos. Otras condiciones se indican arriba o debajo de la flecha de reacción, como temperatura, presión, catalizadores, etcétera. 4.2.2 Clasificación de las reacciones químicas Existen varios criterios para clasificar las reacciones químicas; sin embargo, todos los criterios de clasificación no llenan las expectativas y aquí trataremos de dar las opciones que cubran las situaciones más comunes. La más socorrida es aquella donde las reacciones se clasifican como: Reacciones de síntesis Son reacciones donde a partir de sustancias sencillas se obtiene una más compleja. Las más simples podrían ser aquellas donde los elementos se combinan para dar compuestos. Por ejemplo: 2Ca(s) ⫹ O2(g) → 2CaO(s) 2Mg(s) ⫹ Si(s) → Mg2Si(s) Ge(s) ⫹ 2Cl2(g) → GeCl4(g) (1) (2) (3) Otras un poco más complejas serían: SO3(s) ⫹ H2O(l) → H2SO4(l) (4) BF3(l) ⫹ KF(s) → KBrF4(s) (5) (NH4)2SO4(ac) ⫹ CeSO4(ac) ⫹ H2O → (NH4)2 Ce(SO4)2 4H2O(s) (6) En general: A ⫹ B ⫹ … → C. E0319-Unidad 4.2.indd 230 6/30/06 7:54:27 AM Desde luego, hay reacciones de síntesis mucho más complejas. También es útil decir que en las síntesis orgánicas puede haber subproductos y no necesariamente un solo producto; por ejemplo, la síntesis del DDT. Reacciones de combustión Estas reacciones se considerarán aquí como reacciones completas entre compuestos de carbono y oxígeno. (Desde luego, los carbonatos, bicarbonatos y otros compuestos inorgánicos de carbono no entran en este tipo de reacciones). Por ejemplo: C3H8(g) ⫹ O2(g) → CO2(g) ⫹ H2O(g) (7) C2H5OH(l) ⫹ O2(g) → CO2(g) ⫹ H2O(g) (8) C6H6COOH(s) ⫹ O2(g) → CO2(g) ⫹ H2O(g) (9) Reacciones de descomposición Se pueden definir como reacciones donde una sustancia se convierte en dos o más productos: CuCO3Cu(OH)2 ⫹ calor → CuO(s) ⫹ H2O(g) ⫹ CO2(g) (10) (NH4)2Cr2O7(s) ⫹ calor → Cr2O3(s) ⫹ N2 (g) ⫹ H2O(g) (11) En general: C → A ⫹ B ⫹ … N. Reacciones de sustitución (desplazamiento) simple En estas reacciones una sustancia desplaza a otra de sus compuestos. Por ejemplo: Zn(s) ⫹ HCl(ac) → ZnCl2 (ac) ⫹ H2(g) (12) Fe(s) ⫹ CuSO4(ac) → FeSO4 (ac) ⫹ Cu(s) (13) Al(s) ⫹ Fe2O3 (s) → Al2O3 (s) ⫹ Fe(s) (14) En general: A ⫹ BC → AC ⫹ B. Reacciones de sustitución (o de desplazamiento) doble En las reacciones de este tipo dos sustancias químicas intercambian sus componentes. Por ejemplo: KOH(ac) ⫹ HNO3 (ac) → KNO3 (ac) ⫹ H2O(l) (15) Pb(NO3)2 (ac) ⫹ K2CrO4 (ac) → PbCrO4(s) ⫹ KNO3(ac) (16) En general: AB ⫹ CD → AD ⫹ CB. Reacciones de oxidación–reducción En las reacciones de oxidación–reducción hay, por lo menos, dos sustancias que cambian su estado de oxidación. Esto ocurre a través de un intercambio de electrones. La sustancia que E0319-Unidad 4.2.indd 231 6/30/06 7:54:28 AM se oxida cede electrones. La sustancia que se reduce gana electrones. No puede haber reacciones redox si no ocurren estos dos procesos en forma simultánea. Así, algunas reacciones de síntesis, de descomposición y de sustitución simple también pueden ser redox. Por otra parte, todas las reacciones de combustión son reacciones redox. Reacciones de neutralización y de precipitación En todas las reacciones de neutralización un ácido reacciona con una base, si ambos son fuertes, los productos son una sal y agua. En todas las reacciones de precipitación dos reactivos disueltos en agua de manera individual, al ponerse en contacto, forman una sustancia sólida (precipitado). Reacciones endotérmicas y exotérmicas Una reacción exotérmica es aquella donde se genera energía durante el proceso. Por ejemplo, todas las reacciones de combustión son exotérmicas. El hecho de acercar una llama o una chispa eléctrica para que se inicie este tipo de reacciones no significa que estas reacciones sean endotérmicas. Esta energía inicial que se suministra recibe el nombre de energía de activación. En una reacción endotérmica se necesita proporcionar energía térmica durante todo el proceso a fin de que ocurra la reacción. De otro modo, el proceso no tendrá lugar. Como lo puedes advertir, no hay una manera universal de clasificar las reacciones químicas. Aquí sólo se te da una orientación sobre diversos tipos. Tampoco se incluyeron las reacciones de compuestos del carbono (orgánicas) ni las reacciones bioquímicas. Haciendo ConCiencia Problema: diseña un experimento que permita comprobar la presencia de CO2 en la siguiente reacción Pistas Recuerda que al exhalar produces CO2 Prueba qué sucede al combinar hidróxido de calcio con el bióxido de carbono Recuerda que el CO2 se disuelve en agua para formar ácido carbónico H2CO3 Experimenta y observa Diseña tu experimento con el siguiente material. Justifica cada uno de los pasos. Material: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. E0319-Unidad 4.2.indd 232 Dos matraces Erlenmeyer de 50 ml Un tapón horadado que embone en la boca de uno de los matraces Un tubo de desprendimiento Mangueras Una pipeta de 10 ml CaCO3 Ca(OH)2 HCl 6/30/06 7:54:29 AM Procedimiento Registra Anota todas tus observaciones. Analiza ¿Qué tipo de reacción se presenta entre el Ca(OH)2 y el CO2 disuelto en agua? Explica claramente. E0319-Unidad 4.2.indd 233 6/30/06 7:54:30 AM Indica si las siguientes reacciones son de síntesis o de descomposición. aa) NaN3(s) → 2 Na(s) ⫹ 3 N2(g) b) CaCO3(s) → CaO(s) ⫹ CO2(g) b cc) 2 H2O(l) → 2 H2(g) ⫹ O2(g) d) 2 H2(g) ⫹ O2(g) → 2 H2O(l) d ee) Na2O ⫹ H2O → NaOH ff) C3H5N3O9 → 6 N2(g) ⫹ 12 CO2(g) ⫹ 10 H2O(g) ⫹ O2(g) La reacción Ag NO3 ⴙ NaCl → Na NO3 ⴙ AgCl se puede clasificar como de: aa) Síntesis b) Análisis b cc) Sustitución simple d) Doble sustitución d Al hacer reaccionar un metal alcalino con agua se forma hidrógeno y un: aa) Hidrácido b) Hidruro b cc) Oxido d) Hidróxido d Para nombrar las sales, la terminación ‘oso’ del ácido del que proviene cambia por: aa) ato b) ito b cc) uro d) hídrico d A los ácidos que pueden perder dos protones por molécula se les llama: aa) Débiles b) Diprótidos b cc) Poliprótidos d) Fuertes d E0319-Unidad 4.2.indd 234 6/30/06 7:54:30 AM Los oxiácidos presentan la mayor cantidad de átomos de oxígeno en su molécula y el nombre correcto para el de cloro es: aa) Perclórico b) Clórico b cc) Hipocloroso d) Oloroso d En el nombre de una sal binaria, la terminación “hídrico” del ácido del que proviene cambia por: aa) oso b) ito b cc) ato d) uro d ¿Cuál de las siguientes ecuaciones es de descomposición? aa) NH3 ⫹ H2O → NH4 ⫹ OH b) CH3-COOH ⫹ NaOH → CH3-COONa ⫹ H2O b cc) 2HgO → 2Hg ⫹ O2 d) HCI ⫹ NaOH → NaCl ⫹ H2O d ¿Cuál de las siguientes ecuaciones es de síntesis? aa) 2HgO → 2Hg ⫹ 02 b) N2 ⫹ 3H2 → 2NH3 b cc) HCI ⫹ NaOH → NaCl ⫹ H2O d) CaCO3 → CaO ⫹ CO2 d ¿Cuál de las siguientes ecuaciones es de sustitución? aa) NH3 ⫹ H2O → NH4 ⫹ OH b) Zn ⫹ 2HCL → ZnCI2 ⫹ H2 b cc) CaO ⫹ CO2 → CaCO3 d) Pb(OH)2 → PbO ⫹ H2O d E0319-Unidad 4.2.indd 235 6/30/06 7:54:31 AM Balanceo de ecuaciones y reacciones de óxido reducción Lo que vamos a estudiar 4.3 E0319-Unidad 4.3.indd 236 Balanceo de ecuaciones químicas 6/30/06 7:58:43 AM ¡Activa tus ideas! ¿Será posible hace hacer una pila con una papa? a? ¿Por qué es más ráp ápida la oxidación del hierro o ssi se le coloca en un ambient ente húmedo? E0319-Unidad 4.3.indd 237 6/30/06 7:58:50 AM 4.3 Balanceo de ecuaciones químicas En los ejemplos de reacciones químicas anteriores sólo se indicaron los reactivos y productos, pero no están balanceadas. ¿Qué significa balancear una reacción química? Una de las leyes fundamentales de la química tiene que ver con la conservación de la masa, que en términos sencillos puede expresarse de la siguiente manera: Nada se crea, nada se destruye, todo se transforma Esto quiere decir que en una reacción química la masa se conserva. La masa de las sustancias que reaccionan se convierte en una masa igual de productos; es decir, en este proceso no aumenta ni disminuye la masa. Una manera de expresar esta situación es mediante el balanceo de las reacciones químicas para convertirlas en ecuaciones químicas. En una ecuación química, la masa de reactivos que reaccionan debe ser igual a la masa de los productos que se genera. Desde luego, en los procesos donde no hay reacción química también hay conservación de la masa. Es decir, esta ley es de aplicación universal. Aquí es muy conveniente clasificar las reacciones químicas como reacciones de oxidación–reducción (redox) o reacciones no redox. Existen varios métodos para balancear reacciones químicas, entre ellos: a) por tanteo, b) algebraicos, c) del cambio del número de oxidación d) y método del ión–electrón Aquí se considerarán únicamente los señalados en los incisos a, c y d. Método por tanteo. Con este método se puede balancear la ecuación química a través de aproximaciones; es decir, se cuentan los átomos de un lado y otro de la flecha de reacción. Por ejemplo, balancea la siguiente reacción química: Ca(OH)2 H3PO4 → Ca3(PO4)2 H2O Primero se inspecciona si hay cambios en los estados de oxidación de los reactivos y productos. En este caso no hay cambios de estados de oxidación. Por lo tanto, puede utilizarse el siguiente procedimiento: Paso 1. Selecciona uno de los reactivos y uno de los productos y escríbelos de esta manera: Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 Paso 2. Balancea todos los elementos que no sean hidrógeno y oxígeno mediante el uso exclusivo de coeficientes. Nunca debes alterar una fórmula modificando los subíndices. En este caso, los átomos diferentes son el Ca y el P. En consecuencia, para balancear el Ca debe agregarse el coeficiente 3 a la fórmula del Ca(OH)2 3Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 E0319-Unidad 4.3.indd 238 6/30/06 7:59:00 AM Paso 3. Ahora se balancea el fósforo (P). Como la sustancia que contiene P es el H3PO4, éste se agrega a la ecuación como reactivo. Hay dos átomos de P en el producto y, por consiguiente, se debe agregar el H3PO4 a los reactivos precedido del coeficiente 2. Así, 2H3PO4 3 Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 Paso 4. Una vez balanceados todos los átomos que no sean hidrógeno y oxígeno, se balancean éstos en ese orden; es decir, primero el H y al final el O. La única sustancia que contiene H en los productos es el H2O. Entonces se agrega a la ecuación el H2O precedida del coeficiente que en este caso indique la presencia de 12 H. 3Ca(OH)2 2H3PO4 → Ca3(PO4)2 6H2O 3Ca 6 H 6 O 6H 2P 8 O 3Ca 2P 8 O 12 H 6 O 3Ca 12 H 14 O 2P 3Ca 2P 14 O 12 H Como el número de átomos que hay en los reactivos es igual al que se tiene en los productos, la reacción queda balanceada. Balanceo de reacciones redox por tanteo En este caso se sigue el procedimiento anterior, sólo que aquí se deben escribir dos reacciones. Veamos un ejemplo para ilustrar esto último. Balancea la siguiente reacción química: Cu HNO3 → Cu(NO3)2 NO H2O (1) Estamos ante una reacción de óxido reducción (redox) y los cambios que se observan son: Cu → Cu(NO3)2 (2) HNO3 → NO (3) y Y éstas son las reacciones químicas que deben balancearse. Balanceo de la reacción (2) Cu → Cu(NO3)2 Paso 1. El Cu está balanceado, el N no lo está. Hace falta agregar HNO3 a los reactivos precedido del coeficiente 2, pues hay dos átomos de N en el Cu(NO3)2. 2HNO3 Cu → Cu(NO3)2 Paso 2. Ahora se balancean el H y el O, en ese orden. Balanceo del H. Hay 2 átomos de H en el primer miembro de la ecuación. Por lo tanto, debe haberlos en el segundo miembro. La sustancia que los tiene es el agua, así que 2HNO3 Cu → Cu(NO3)2 H2O E0319-Unidad 4.3.indd 239 6/30/06 7:59:01 AM El hidrógeno está balanceado. Balanceo del oxígeno. Hay seis átomos de O en el primer miembro de la ecuación y siete en el segundo. Para balancear el oxígeno se agrega O al miembro de la ecuación donde hace falta, de la siguiente manera: O 2HNO3 Cu → Cu(NO3)2 H2O (4) El oxígeno está balanceado. Balanceo de la reacción (3) HNO3 → NO Paso 3. El N está balanceado, pero no el H ni el O. Paso 4. Balanceo del hidrógeno y el oxígeno. Balanceo del hidrógeno. La sustancia que contiene H en el segundo miembro es el H2O, de modo que: HNO3 → NO 1兾2H2O Para evitar coeficientes fraccionarios hay que multiplicar por el factor conveniente. En este caso se multiplican por 2 ambos miembros de la ecuación; así se obtiene: 2 HNO3 → 2NO H2O El hidrógeno está balanceado. Balanceo del oxígeno. 2 HNO3 → 2NO H2O Como puedes observar, hay seis átomos de O en el primer miembro de la ecuación y tres en el segundo. Por lo tanto, se agregan tres átomos de O en el segundo miembro. 2 HNO3 → 2NO H2O 3 O (5) Ahora, la ecuación 2 está balanceada. Paso 5. Ahora se escriben las ecuaciones (4) y (5) para balancear la reacción completa (1). Puedes ver que hay un átomo de O en la ecuación (4) y tres en la (5). Esto significa que hay que multiplicar la ecuación (4) por 3 para que el número de átomos de oxígeno en ambas ecuaciones sea igual. Hagámoslo. E0319-Unidad 4.3.indd 240 3 [O 2HNO3 Cu → Cu(NO3)2 H2O] (4) 2 HNO3 → 2NO H2O 3 O (5) 3 O 6HNO3 3Cu → 3Cu(NO3)2 3H2O (6) 2 HNO3 → 2NO H2O 3 O (7) 6/30/06 7:59:02 AM Al sumar las ecuaciones (6) y (7) se obtiene 3 O 6HNO3 3Cu 2 HNO3 → 3Cu(NO3)2 3H2O 2NO H2O 3 O Simplificando, se llega a 3 Cu 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 2NO 4H2O Como puedes ver, la reacción quedó balanceada. Balanceo de reacciones redox Las reacciones de oxidación–reducción (redox) ocurren cuando las sustancias que se combinan intercambian electrones. Asimismo, con dicho intercambio tiene lugar una variación en el número de oxidación (estado de oxidación) de las especies químicas que reaccionan. El manejo del número de oxidación es imprescindible para el balanceo de las reacciones redox. El número de oxidación puede definirse como la carga real o virtual que tienen las especies químicas (átomos, moléculas, iones) que forman las sustancias puras. Esta carga se determina con base en la electronegatividad de las especies, según las reglas que se explican a continuación. 1. Número de oxidación de un elemento químico. El número de oxidación de un elemento químico es de cero, ya sea que éste se encuentre en forma atómica o como molécula polinuclear. Por ejemplo: Na0, Cu0, Fe0, H20, Cl20, N20, O20, P40, S80 2. Número de oxidación de un ión monoatómico. El número de oxidación de un ión monoatómico (catión o anión) es la carga eléctrica real, positiva o negativa, que resulta de la pérdida o ganancia de electrones, respectivamente. Por ejemplo: Cationes: Na, Cu2, Hg2, Cr3, Ag, Fe2, Fe3 Aniones: F, Br, S2, N3, O2, As3 3. Número de oxidación del hidrógeno. Casi siempre, el número de oxidación del hidrógeno es de 1, salvo en el caso de los hidruros metálicos, donde es de 1. 4. Número de oxidación del oxígeno. Frecuentemente, el número de oxidación del oxígeno es de 2 (O2), salvo en los peróxidos, donde es de 1 (O22). 5. Números de oxidación de los elementos que forman compuestos covalentes binarios. Los números de oxidación de los elementos que forman compuestos covalentes binarios (compuestos que se forman entre no metales) son las cargas virtuales que se asignan con base en la electronegatividad de los elementos combinados. Al elemento más electronegativo se le asigna la carga negativa total (como si fuera carga iónica). Al otro elemento del compuesto se le adjudica carga positiva (también como si fuera carga iónica). En los compuestos binarios covalentes la carga virtual se asigna según la secuencia que aparece a continuación. El elemento que llevará la carga virtual negativa está a la derecha de la lista y los que le preceden llevarán la carga positiva. E0319-Unidad 4.3.indd 241 6/30/06 7:59:02 AM Asignación de la carga negativa Si, B, Sb, As, P, H, C, N, Te, Se, I, Br, Cl, O, F Asignación de la carga positiva [CH4]0 [CCl4]0 [CO2]0 [C4 H4]0 [C44H]0 [C4 Cl41]0 [C4 4Cl1]0 [C4O22]0 [C42O2]0 6. Número de oxidación de un catión o anión poliatómico. El número de oxidación de un catión o anión poliatómico es la carga virtual que se asigna a los elementos combinados con base en la electronegatividad de dichos elementos. La carga virtual que se asigna se considera como si fuera el resultado de la transferencia total de electrones (carga iónica). Por ejemplo, en el ión nitrato, NO3, los estados de oxidación del nitrógeno y del oxígeno son [NO3] [N5O32] [N53O2] N5 y O2, los cuales no son cargas reales y se les puede considerar como cargas virtuales. En el ión sulfato puede verse que los estados de oxidación del S y del oxígeno son [S6O42] 6 [S 4O2] S6 y O2. De manera semejante, en el ión amonio los estados de oxidación del nitrógeno y del hidrógeno son [N3H4] [N3 4H] N3 y H. 7. Carga de los iones poliatómicos. Es la carga iónica que resulta cuando se suman los números de oxidación de los elementos que forman dicho ión. Por ejemplo, la carga del ión nitrato resulta de sumar los números de oxidación del nitrógeno y del oxígeno: [N53O2] [N5O6] (NO3)[(5) (6)] NO3. La carga del ión sulfato puede calcularse de la misma forma: [S6O42] [S64O2] (SO4)[(6) (8 )] (SO4)2 De manera semejante, la carga del ión amonio, NH4, resulta de la suma de los números de oxidación de nitrógeno e hidrógeno: [N3H4] [N3 4H] (NH4)[(3) (4)] (NH4) De nuevo, es necesario destacar que en estos casos los estados de oxidación no son cargas reales y se les puede considerar como cargas virtuales. 8. Números de oxidación y cargas en compuestos iónicos poliatómicos. Cuando se tiene la fórmula completa de un compuesto iónico, la suma tanto de los números de oxidación como de las cargas debe ser igual a cero. Por ejemplo: Na2SO4. Números de oxidación: (Na2S6O42) [Na2S6O8] (Na2S)26(O4)8 (Na2SO4)0 Cargas: (Na2)(SO4)2 [Na2(SO4)2] (Na2SO4)0 E0319-Unidad 4.3.indd 242 6/30/06 7:59:03 AM 9. Números de oxidación en compuestos orgánicos. El número de oxidación de los elementos que forman los compuestos orgánicos también se asigna con base en la electronegatividad. Sin embargo, aquí se sugiere escribir las fórmulas desarrolladas de dichos compuestos. Ejemplos: CH3CH2OH H H H C3 C1 H H H O2 CH3CHO H H O2 C C3 H H CH3COOH H H O2 C3 C3 CH3 CH H O2 H COOH NH2 H H H C3 C0 H N3 H E0319-Unidad 4.3.indd 243 O2 C3 O2 H H 6/30/06 7:59:04 AM Ejercicios sobre números de oxidación y cargas iónicas Determina el número de oxidación de los elementos que forman los siguientes iones y compuestos: a) NH2OH b) NH4NO3 c) Na2S2O3 d) NaBiO3 e) KMnO4 f ) SnO22 g) PbO32 h) AsS43 i) K2PtCl6 j) RhCl3.3H2O k) [Rh(NH3)4Cl2]Cl l) K2[TiCl6] m) CaC2O4 n) Fe3(PO4)2 ñ) (NH4)3PO4.12MoO3 o) CH3CH2C NHCH3 O Conceptos de oxidación y reducción Oxidación. La oxidación tiene lugar cuando una especie química pierde electrones y al mismo tiempo aumenta su número de oxidación. Por ejemplo, el calcio metálico (con número de oxidación cero) se puede convertir en el ión calcio (con carga de 2+) por la pérdida de dos electrones, según el siguiente esquema simbólico: Ca0 → Ca2 2e Resumen: E0319-Unidad 4.3.indd 244 6/30/06 7:59:05 AM En resumen: Agente oxidante y agente reductor Agente oxidante. Es la especie química que acepta electrones en un proceso redox; por lo tanto, se reduce. Por ejemplo, cuando se hace reaccionar cloro elemental con calcio: Ca0 Cl20 → CaCl2 El cloro es el agente oxidante porque gana electrones y su carga o número de oxidación pasa de 0 a 1. Esto se puede escribir como: 2e Cl20 → 2Cl2 Resumen: E0319-Unidad 4.3.indd 245 6/30/06 7:59:59 AM Resumen: Balanceo de ecuaciones químicas Existen varios métodos para el balanceo de ecuaciones, pero aquí se describirán únicamente los que corresponden a las reacciones redox. Los dos procedimientos más comunes para el balanceo de reacciones redox son: a) Método del cambio del número de oxidación. b) Método del ión–electrón. Balanceo de ecuaciones redox por el método del cambio del número de oxidación Como su nombre lo indica, este método de balanceo se basa en los cambios de los números de oxidación de las especies que reaccionan. A continuación se describen los pasos de este método. Balancear la siguiente reacción química por el método del cambio del número de oxidación: KMnO4 FeSO4 H2SO4 → MnSO4 Fe2(SO4)3 K2SO4 H2O Paso 1. Cálculo de los números de oxidación. KMn74O2 Fe2S64O2 2HS64O2 → Mn2S64O2 2Fe32S612O2 2KS64O2 2HO2 Paso 2. Identificación de los elementos que cambian su estado de oxidación. Se reconocen los elementos que cambian su estado de oxidación o carga y se escriben como semirreacciones de oxidación y de reducción (no importa el orden de escritura de las semirreacciones). Mn7 → Mn2 Fe2 → 2Fe3 E0319-Unidad 4.3.indd 246 6/30/06 8:00:03 AM Paso 3. Se efectúa el balance de masa. Debe haber el mismo número de especies químicas en ambos lados de la flecha de reacción. En el caso del manganeso no es necesario efectuar el balance de masa, pues hay un número igual de átomos en ambos miembros de la semirreacción. Sin embargo, en el caso del hierro hay un coeficiente de 2 en el Fe3 que también debe aparecer del mismo modo en el Fe2. Mn7 → Mn2 2Fe2 → 2Fe3 Paso 4. Se efectúa el balance de carga. Debe haber igual número de cargas en ambos lados de las flechas de reacción. Lo único que puede utilizarse para el balance de carga son los electrones que se pierden o se ganan en el proceso redox. ¡Atención! El balance de carga siempre debe hacerse después del balance de masa, nunca antes. El planteamiento de una desigualdad matemática puede servir para realizar el balance de carga. Al mismo tiempo se pueden identificar los procesos de oxidación y de reducción, dependiendo del lado donde se agreguen los electrones. Mn7 → Mn2 La desigualdad se plantea utilizando los números de oxidación de las especies que cambian en el proceso redox. En el caso del manganeso el procedimiento es así: 7 2 5e 7 2 2 2 5e Mn7 → Mn2 (El número de oxidación del Mn disminuye de 7 a 2. Por tanto, es la semirreacción de reducción). Para el hierro el procedimiento es: 2Fe2 → 2Fe3 4 6 4 6 2e 4 4 2Fe2 → 2Fe3 2e (Hay pérdida de electrones y el número de oxidación del Fe aumenta de 2 a 3. Por tanto, es la semirreacción de oxidación). Con lo anterior quedan balanceadas las semirreacciones redox por masa y carga. Paso 5. Balance de los electrones intercambiados (perdidos y ganados) en las semirreacciones redox balanceadas. El número de electrones que se intercambian en las semirreacciones redox debe ser el mismo. Éste se obtiene al multiplicar de manera cruzada los electrones perdidos y ganados. Enseguida se simplifica la ecuación: [5e Mn7 → Mn2 [ ]2 2Fe2 →2Fe3 2e] 5 10e 2Mn7 10Fe2 → 2Mn2 10Fe3 10e E0319-Unidad 4.3.indd 247 6/30/06 8:00:04 AM El proceso redox total queda como sigue: 2Mn7 10Fe2 → 2Mn2 10Fe3 Paso 6. Introducción de los coeficientes obtenidos en el proceso redox y en la reacción global. a) Los coeficientes que se obtienen hasta este paso corresponden únicamente a las especies químicas que intervinieron en el proceso redox y se colocan como coeficientes de los compuestos correspondientes en la reacción completa: 2KMnO4 10FeSO4 H2SO4 → 2MnSO4 5Fe2(SO4)3 K2SO4 H2O. * Observa que en el caso del Fe2(SO4)3 se ha colocado un 5 y no un 10, que era el exponente obtenido, porque al formar el compuesto con el sulfato cada molécula está compuesta por dos iones hierro y un ión sulfato. b) Ajuste de los coeficientes de las especies que no cambiaron en el proceso redox. En esta reacción no cambiaron su estado de oxidación H, S6 K y O2, de modo que debe haber igual número de estas especies en ambos miembros de la ecuación para que ésta quede balanceada. 2KMnO4 10FeSO4 8H2SO4 → 2MnSO4 5Fe2(SO4)3 K2SO4 8H2O En este paso la reacción ya quedó balanceada debido a que se cumple con la ley de la conservación de la masa. Balanceo de ecuaciones redox por el método del ión–electrón Este método de balanceo de reacciones redox resulta más adecuado porque en el proceso se emplean las especies químicas que tienen existencia real. Por ejemplo, el KMnO4 se compone de los iones K y MnO4, dos especies que tienen existencia real. En el ejemplo de balanceo que se describirá enseguida, el ión MnO4 se usa como tal, ya que en el medio acuoso donde ocurre esta reacción el Mn7 sólo puede encontrarse como ión permanganato, MnO4. I. Reacciones que ocurren en un medio ácido Balancear la siguiente reacción química: CaC2O4 KMnO4 H2SO4 → CaSO4 MnSO4 K2SO4 CO2 H2O Paso 1. Los compuestos iónicos se separan en sus iones componentes y señalan con toda claridad sus cargas correspondientes. Los óxidos y los compuestos covalentes no se separan en iones. Ca2 C2O42 K MnO4 H SO42 → Ca2 SO42 Mn2 SO42 K SO42 CO2 H2O Paso 2. Se simplifica la reacción para eliminar todas las especies químicas que no tienen cambios durante el proceso. Ca22 C2O42 K MnO4 H SO42 → Ca22 SO422 Mn2 SO42 K SO422 CO2 H2O E0319-Unidad 4.3.indd 248 6/30/06 8:00:05 AM Las especies que permanecen después de esta simplificación son las que toman parte en el proceso redox. El resultado de éste recibe el nombre de reacción iónica, donde puede advertirse que aparece el ión H, lo cual indica que el proceso redox ocurre en un medio ácido. C2O42 MnO4 H → Mn2 SO42 CO2 H2O Paso 3. Se escriben las semirreacciones de oxidación y de reducción, en cualquier orden. C2O42 → CO2 MnO4 → Mn2 Paso 4. Balance de masa. a) Primero se balancean todos los elementos que no sean oxígeno ni hidrógeno. Hay dos átomos de carbono en el primer miembro de la primera semirreacción y sólo uno en el segundo miembro. Esto se ajusta mediante el coeficiente adecuado. La segunda semirreacción queda igual. Sólo hay un átomo de manganeso en ambos miembros. C2O42 → 2CO2 MnO4 → Mn2 b) Ahora se balancea el oxígeno. En un medio ácido, el exceso de oxígeno se balancea con agua en el miembro contrario de la semirreacción. En la primera semirreacción el oxígeno está balanceado, pero no en la segunda. En ésta hay cuatro átomos de oxígeno en el MnO4 y por lo tanto se balancea con agua, como se indicó: MnO4 → Mn2 4H2O Por último, se balancea el hidrógeno con iones H+ en el miembro contrario: 8H MnO4 → Mn2 4H2O Con esto concluye el proceso de balance de masa. El resultado es el siguiente: C2O42 → 2CO2 8H MnO4 → Mn2 4H2O Paso 5. Balance de carga. Este paso sólo debe realizarse después del balance de masa, ¡nunca antes! Puede efectuarse utilizando desigualdades, las cuales se resuelven al agregar electrones (e) para igualar las cargas iónicas. a) C2O42 → 2[CO2]0 2 0 2 0 2e 2 22 C2O42 → 2CO2 2e E0319-Unidad 4.3.indd 249 (oxidación) 6/30/06 8:00:06 AM b) 8H MnO4 → Mn2 4[H2O]0 8 1 7 2 5e 7 2 2 2 5e 8H MnO4 → Mn2 4H2O (reducción) Paso 6. Balance del número de electrones perdidos y ganados. El número de electrones perdidos y ganados debe ser el mismo en todo proceso redox. Esto se logra multiplicando por el factor adecuado las semirreacciones redox balanceadas por masa y carga. [ C2O42 → 2CO2 2e ]5 [5e 8H MnO4 → Mn2 4H2O] 5C2O42 10 10e 16H 2 MnO4 → 10CO2 10e2 2Mn2 8H2O Al simplificar se llega a la ecuación iónica: 5C2O42 16H 2 MnO4 → 10CO2 2Mn2 8H2O Paso 7. Los coeficientes que se obtienen en la ecuación iónica se trasladan a la reacción general, pero sólo quedan balanceadas las especies que intervinieron en el proceso redox. 5CaC2O4 2KMnO4 8H2SO4 → CaSO4 2MnSO4 2SO4 10CO2 8H2O Paso 8. Por último, se ajustan las especies que permanecieron sin cambios en el proceso redox, con lo cual se llega al final de este método de balanceo. 5CaC2O4 2KMnO4 8H2SO4 → 5 CaSO4 2MnSO4 2SO4 10CO2 8H2O II. Reacciones que ocurren en un medio básico Balancear la siguiente reacción química: Zn NaNO3 NaOH → Na2ZnO2 NH3 H2O Paso 1. Los compuestos iónicos se separan en sus iones componentes y con toda claridad quedan sus cargas correspondientes. Los óxidos y los compuestos covalentes no se separan en iones. Los elementos tienen carga cero. Zn Na NO3 NaOH → Na ZnO22 NH3 H2O Paso 2. Se simplifica la reacción al eliminar todas las especies químicas que no tienen cambios durante el proceso. Zn Na NO3 Na OH → Na ZnO22 NH3 H2O Después de esta simplificación permanecen las especies que toman parte en el proceso redox. El resultado de este procedimiento recibe el nombre de reacción iónica. En ésta puede advertirse que aparece el ión OH, lo cual indica que el proceso redox ocurre en un medio básico. Zn NO3 OH → ZnO22 NH3 H2O E0319-Unidad 4.3.indd 250 6/30/06 8:00:06 AM Paso 3. Se escriben las semirreacciones de oxidación y de reducción en cualquier orden. Zn0 → ZnO22 NO3 → [NH3]0 Paso 4. Balance de masa. a) Primero se balancean todos los elementos que no sean oxígeno ni hidrógeno. b) En este caso sólo hay oxígeno e hidrógeno en exceso. c) Balanceo del oxígeno. El oxígeno se balancea agregando moléculas de agua del mismo lado de la reacción donde hay exceso de éste. Zn0 → ZnO22 2H2O 6H2O NO3→ [NH3]0 d) El hidrógeno se balancea en el miembro contrario por iones OH. 4 OH Zn0 → ZnO22 2H2O 6H2O NO3→ [NH3]0 9 OH Paso 5. Balance de carga. Este paso sólo debe realizarse después del balance de masa, nunca antes. Asimismo, puede efectuarse utilizando desigualdades, las cuales se resuelven agregando electrones (e) para igualar las cargas iónicas. 4 OH Zn0 → ZnO22 2[H2O]0 4 2 4 2 2e 4 4 4 OH Zn0 → ZnO22 2[H2O]0 2e (oxidación) 6H2O NO3 → [NH3]0 9 OH 1 9 8e 1 9 9 9 8e 6H2O NO3 → [NH3]0 9 OH E0319-Unidad 4.3.indd 251 (reducción) 6/30/06 8:00:08 AM El resultado del paso 5 es éste: 4 OH Zn0 → ZnO22 2[H2O]0 2e 8e 6H2O NO3 → [NH3]0 9 OH Paso 6. Balance del número de electrones perdidos y ganados. De nuevo, el número de electrones perdidos y ganados en el proceso redox debe ser el mismo. Por lo tanto, las semirreacciones redox se multiplican por el factor adecuado para lograr este propósito. [ [ 4 OH Zn0 → ZnO22 2[H2O]0 2e 8e 6H2O NO3 → [NH3]0 9 OH ]4 ]1 16OH 4Zn0 8e 6H2O NO3 → ZnO22 8[H2O]0 8e [NH3]0 9 OH Se llega a la ecuación iónica: 7OH 4Zn0 NO3 → ZnO22 2[H2O]0 [NH3]0 Paso 7. Los coeficientes que se obtienen en la ecuación iónica se trasladan a la reacción general, pero sólo quedan balanceadas las especies que intervinieron en el proceso redox. 4 Zn NaNO3 NaOH → 4Na2ZnO2 NH3 H2O Paso 8. Por último, se ajustan las especies que permanecieron sin cambios en el proceso redox. 4 Zn NaNO3 7 NaOH → 4Na2ZnO2 NH3 2H2O Conexión al mundo ¿Viernes de fiesta? Como seguramente sabes, desde hace algún tiempo en ciertas ciudades se ha implantado el uso del alcoholímetro para tratar de disminuir el número de conductores ebrios. Uno de los métodos utilizados por estos instrumentos es el de identificar ácido acético, que es el producto de oxidación del alcohol etílico. El alcohol etílico y el ácido acético son compuestos orgánicos. El uso del método del número de oxidación para balancear reacciones redox, donde intervienen compuestos orgánicos, implica lo que se apunta a continuación: a) Escribir las fórmulas desarrolladas de la porción que interviene en el proceso redox. En este curso no se abordan compuestos orgánicos, sin embargo, te presentamos la fórmula desarrollada de los compuestos utilizados para que ubiques los elementos que rodean a cada carbono. b) Calcular los números de oxidación de esta porción. E0319-Unidad 4.3.indd 252 6/30/06 8:00:08 AM c) No se recomienda asignar los números de oxidación a todas las partes de las moléculas orgánicas que no intervienen en el proceso redox, pues haría más complicado el uso de este método de balanceo. Nota: En el caso del balanceo de reacciones donde intervienen compuestos orgánicos se recomienda el empleo del método del ión-electrón que se describirá más adelante. Balancear la siguiente reacción química por el método del número de oxidación: K2Cr207 CH3CH2OH H2SO4 → Cr2(SO4)3 CH3COOH K2SO4 H20 Paso 1. Cálculo de los números de oxidación. H 2K2Cr67O2 CH3C O2 H 2HS64O2 H O2 2KS64O2 2HO2 2Cr33S61202 CH3C3 O2 H Paso 2. Identificación de las especies que cambian su número de oxidación y escritura de las semirreacciones redox. 2Cr6 → 2Cr3 C → C3 Paso 3. Balance de masa. En este caso no es necesario. Paso 4. Balance de carga. 2Cr6 → 2Cr3 12 6 6e 12 6 6 6 6e 2Cr6 → 2Cr3 (reducción) C → C3 1 3 1 3 4e 1 1 C → C3 4e (oxidación) El resultado del balance de carga es éste: 6e 2Cr6 → 2Cr3 C → C3 4e Paso 5. Balance del número de electrones intercambiados. QÈi ÊÓ ÀÈÊ mÊ Ó ÀÎRÓ QÊ Ê mÊ ÎÊÊ{iRÎ £Ói Ê{ ÀÈÊÊÎ ÊmÊ{ ÀÎÊÊÎ Î ÊÊ£Ói Al simplificar queda esto: 4Cr6 3C → 4Cr3 3C3 E0319-Unidad 4.3.indd 253 6/30/06 8:00:09 AM Paso 6. Balanceo de las especies que cambian en el proceso redox en la reacción general. 2K2Cr2O7 3CH3CH2OH H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 3CH3COOH K2SO4 H2O Paso 7. Balanceo de las especies que no cambiaron en el proceso redox en la reacción general. 2K2Cr2O7 3CH3CH2OH 8H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 3CH3COOH 2K2SO4 12H2O Haciendo ConCiencia 1) Prepara una solución diluida de dicromato de potasio. a) Anota sus características físicas. 2) Agrégale unas gotas de ácido sulfúrico concentrado y poco a poco adiciona alcohol etílico. ¿Hay algún cambio en las propiedades físicas de la solución? La coloración anaranjada de la solución inicial y el color de la solución final se deben a la presencia de iones de cromo. ¿Puedes identificar cuáles son? Aplicaciones del balanceo por el método del ión-electrón a reacciones redox de compuestos orgánicos Este método de balanceo de reacciones es muy útil ya que se evita el uso de los números de oxidación, lo cual puede ser engorroso en compuestos orgánicos. Balancear la siguiente reacción química por el método del ión–electrón. K2Cr2O7 CH3CH2OH H2SO4 → Cr2(SO4)3 CH3COOH K2SO4 H2O Paso 1. Los compuestos iónicos se separan en sus iones componentes y con claridad señalan sus números de oxidación correspondientes. Los óxidos y los compuestos covalentes no se separan en iones. Los elementos tienen número de oxidación cero. Paso 2. Se simplifica la reacción al eliminar todas las especies químicas que no tienen cambios durante el proceso. K Cr2O72 [C2H6O]0 H SO42 → Cr3 SO O422 C2H4O2 K SO O422 H2O Las especies que toman parte en el proceso redox permanecen después de esta simplificación. El resultado de este proceso recibe el nombre de reacción iónica. En ésta puede advertirse que aparece el ión H, lo cual indica que el proceso redox ocurre en un medio ácido. Cr2O72 [C2H6O]0 H → Cr3 C2H4O2 H2O Paso 3. Escritura de las semirreacciones redox. Se escriben las semirreacciones redox sin importar el orden. Cr2O72 → Cr3 [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 Paso 4. Balance de masa. a) Primero se balancean todos los elementos que no sean oxígeno ni hidrógeno. Hay dos átomos de cromo en el primer miembro de la primera semirreacción y sólo uno en el segundo miembro. Esto se ajusta mediante el coeficiente adecuado. Cr2O72 → 2Cr3 En la segunda semirreacción los átomos de carbono están balanceados. E0319-Unidad 4.3.indd 254 6/30/06 8:00:12 AM b) En la primera semirreacción hay siete átomos de oxígeno en el primer miembro. Por lo tanto, como el medio es ácido, deben agregarse siete moléculas de agua en el segundo miembro de esta semirreacción. El exceso de hidrógeno se balancea por H en el miembro contrario. 14H Cr2O72 → 2Cr3 7H2O Dentro de la segunda semirreacción hay un átomo de oxígeno de más en el segundo miembro. Como el medio es ácido, se agrega una molécula de agua en el segundo miembro. En dicha semirreacción hay un exceso de cuatro átomos de hidrógeno. Éstos se balancean por H en el miembro contrario. H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H Con esto concluye el proceso de balance de masa. El resultado es éste: 14H Cr2O72 → 2Cr3 7H2O H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H Paso 5. Balance de carga. Este paso sólo debe realizarse después del balance de masa, nunca antes. De nuevo, este paso puede efectuarse utilizando desigualdades, las cuales se resuelven agregando electrones (e) para igualar las cargas iónicas. 14H Cr2O72 → 2Cr3 7H2O 14 2 12 6 6e 12 6 6 6 6e 14H Cr2O72 → 2Cr3 7H2O (reducción) H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H 0 4 0 4 4e 00 H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H 4e (oxidación) El resultado del paso 5 es éste: 6e 14H Cr2O72 → 2Cr3 7H2O H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H 4e Paso 6. Balance de electrones perdidos y ganados. [6e 14H Cr2O72 [ → 2Cr3 7H2O ]2 H2O [C2H6O]0 → [C2H4O2]0 4H 4e ]3 12e 28H 2 Cr2O72 3H2O 3[C2H6O]0 → 4Cr3 14H2O 3[C2H4O2]0 12H 12e E0319-Unidad 4.3.indd 255 6/30/06 8:00:13 AM 16H 2Cr2O72 3[C2H6O]0 → 4Cr3 11H2O 3[C2H4O2]0 Paso 7. Los coeficientes que se obtienen en la ecuación iónica se trasladan a la reacción general, pero sólo quedan balanceadas las especies que intervinieron en el proceso redox. 2K2Cr2O7 3C2H6O H2SO4 → 2Cr2 (SO4)3 3C2H4O2 K2SO4 11H2O Paso 8. Por último, se ajustan las especies que permanecieron sin cambios en el proceso redox. 2K2Cr2O7 3C2H6O 8H2SO4 → 2Cr2 (SO4)3 3C2H4O2 K2SO4 11H2O Evalúate y aplica tus conocimientos A continuación se te proporcionan 20 reacciones químicas redox (sin balancear) inorgánicas. El objetivo es que hagas el balanceo por el método que selecciones (cambio del número de oxidación o ión–electrón) siguiendo los pasos que se detallan enseguida: aa) Identifica la especie química que se oxida y escribe la semirreacción de oxidación. Balancea esta semirreacción (por masa y carga). b) Identifica la especie química que se reduce y escribe la semirreacción de reb ducción. Balancea esta semirreacción (por masa y carga). cc) Identifica el agente oxidante y el agente reductor. d) Escribe la reacción global redox. d ee) Escribe la reacción global total. 1. Cl2 KOH → KCl KClO3 H2O 2. PbS Cu2S HNO3 → Pb(NO3)2 Cu(NO3)2 NO2 S H2O 3. H2O2 KMnO4 H2SO4 → K2SO4 MnSO4 O2 H2O 4. Crl3 KOH Cl2 → K2CrO4 KlO4 KCl H2O 5. PbO2 Sb KOH → PbO KSbO2 H20 6. Cr2(SO4)3 Kl KlO3 H2O → Cr(OH)3 K2SO4 I2 7. KCIO3 HI H2SO4 → KHSO4 HCI I2 H20 8. HSCN KMnO4 H2SO4 → MnSO4 K2SO4 HCN H2O 9. K4Fe(CN)6 KMnO4 H2SO4 → K3Fe(CN)6 MnSO4 K2SO4 H2O 10. CeO2 KI HCI → CeCI3 KCI I2 H20 E0319-Unidad 4.3.indd 256 6/30/06 8:00:14 AM 11. KBrO3 KI HBr → KBr I2 H20 12. Ca(IO3)2 KI HCI → CaCI2 KCI I2 H2O 13. CuSCN KIO3 HCI → CuSO4 ICN KCI H20 14. PbCrO4 KI HCI → PbCI2 CrI3 KCI I2 H2O 15. Mn(NO3)2 (NH4)2S2O8 H20 → HMnO4 (NH4)2SO4 H2SO4 HNO3 16. MnSO4 KMnO4 H2O → MnO2 K2SO4 H2SO4 17. MnSO4 ZnSO4 KMnO4 H2O → 5[Zn(OH)22MnO2] KHSO4 7H2SO4 18. Mo2O3 KMnO4 H2SO4 → MoO3 MnSO4 K2SO4 H2O 19. H2SO3 KIO3 HCI → H2SO4 KCI ICI H2O 20. Na2S2O3 KIO3 HCI → Na2SO4 K2SO4 ICI H2O E0319-Unidad 4.3.indd 257 6/30/06 8:00:15 AM Energía en las reacciones químicas Lo que vamos a estudiar 4.4 E0319-Unidad 4.4.indd 258 La energía en las reacciones químicas 6/30/06 8:02:27 AM ¡Activa tus ideas! ¿Qué tienen que ver con el clima la cantidad ad d de agua en la Tierra y sus p propiedades? ¿En qué se relaci aciona nuestra alimentación ón co con la química? E0319-Unidad 4.4.indd 259 6/30/06 8:02:34 AM 4.4 La energía en las reacciones químicas La termodinámica es un área de la química física y química que estudia las relaciones entre las diferentes propiedades de equilibrio de un sistema y los cambios que se producen en los estados de los sistemas. La termoquímica es la parte de la termodinámica que estudia los cambios de energía en las reacciones o procesos químicos. Debido a que es prácticamente imposible estudiar la energía del Universo, definiremos como sistema la parte específica del Universo que nos interesa; al resto, externo al sistema, le llamaremos entorno. Hay tres tipos de sistemas: • Abiertos. Pueden intercambiar masa y energía (por lo general, en forma de calor) con su entorno. Por ejemplo, un charco de agua en la banqueta. • Cerrados. Permiten la transferencia de energía (calor), pero no de masa. Por ejemplo, agua en un frasco cerrado. • Aislados. No permiten la transferencia ni de masa ni de energía. Por ejemplo, agua dentro de un termo (suponiendo que el material del recipiente fuera totalmente aislante). La temperatura es una medida indirecta de la energía cinética de las moléculas de una sustancia. Dos sistemas están en equilibrio térmico entre sí, si tienen la misma temperatura. Medición de la temperatura En general, se basa en la expansión o contracción uniforme dentro de un intervalo de temperatura; puede ser un cambio de dimensiones o de volumen de una sustancia. La escala de temperatura de uso más generalizado es la Celsius (°C) y se estableció en términos de los puntos de hielo (punto de fusión) y de vapor (punto de ebullición) del agua pura medidos a una atmósfera de presión. Al punto de hielo se le asigna el valor de 0 °C y al de vapor de 100 °C. La escala Kelvin (K) es otra gradación de la temperatura que se basa en la expansión o contracción uniforme del volumen de los gases ideales. Esta escala recibe el nombre de absoluta porque no depende de un gas en especial para establecerla. En realidad, el punto cero corresponde a una extrapolación de la relación presión/temperatura a un volumen constante. No corresponde al volumen cero de un gas ideal. En ésta, tampoco existen valores negativos de temperatura absoluta como en las otras escalas. Todos los valores son positivos y el cero absoluto corresponde a una temperatura Celsius de ⫺273.15. Esto es: Las escalas de Celsius y Kelvin son iguales; es decir: 1 K ⫽ 1 °C Sin embargo, la referencia es distinta: O K ⫽ ⫺273.15 °C. E0319-Unidad 4.4.indd 260 O K ⫽ ⫺273.15 °C 1 K ⫽ 1 °C De esta manera, para convertir temperaturas de grados Celsius a Kelvin simplemente se suma, para propósitos prácticos, 273 a la temperatura Celsius: TK ⫽ TC ⫹ 273 Otra escala que también se utiliza comúnmente es la Fahrenheit, para la cual el punto de hielo es de 32 °F y el de vapor de 212 °F. 6/30/06 8:02:42 AM Las relaciones para efectuar conversiones entre las dos escalas son las siguientes: Calor y temperatura son propiedades muy diferentes. Mientras el calor es energía, la temperatura es sólo una manifestación de ésta. Para no confundirlos, te recomendamos prestarles atención a sus unidades. TC 5兾9 (TF 32) TF 9兾5TC 32 TC (TF 32)兾1.8 TF 1.8TC 32 El calor (q) es la cantidad de energía necesaria para modificar la temperatura de una masa. Como el calor es energía, su unidad es el joule ((JJ). También se le puede definir como energía en tránsito. Este tránsito sólo va de un cuerpo con mayor temperatura a otro de menor temperatura. ¡Nunca a la inversa! La cantidad de calor que se transfiere se puede determinar por el cambio de temperatura. La unidad de calor, la caloría (cal), se define como la cantidad de calor que se necesita para elevar la temperatura (14.5 a 15.5 °C) de un gramo de agua, un grado Celsius. En el SI (Sistema Internacional de unidades), la unidad es la kilocaloría y es igual a la cantidad de calor que se necesita para elevar un grado Celsius la temperatura de un kilogramo de agua. Otra unidad de calor es la BTU (unidad térmica británica), que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Fahrenheit (de 63 a 64 °F) la temperatura de una libra de agua. 1 BTU ⴝ 252 calorías. En la actualidad es común encontrar que las unidades de energía se expresan en julios (J) y en este caso, 1 cal ⴝ 4.184 J. La unidad de calor que se utiliza para tasar el valor energético de los alimentos es la kilocaloría, que se indica con una C mayúscula, y se le da el nombre de Caloría (con C mayúscula). Por lo tanto, es indispensable saber cuándo se está hablando de la caloría común o de la caloría alimentaria, cuyo símbolo es cal. Conexión al mundo Una dieta balanceada La salud se conserva en buen estado si hay una vida sana, lo cual requiere de una buena alimentación. Es decir, que ésta cumpla con cuatro características: que sea balanceada, integral, variada e higiénica. Investiga qué es una dieta balanceada. Analízalo con tus compañeros y digan quiénes llevan una dieta balanceada. Observa la siguiente tabla y responde: E0319-Unidad 4.4.indd 261 Alimento Carbohidratos % Grasas % Proteínas % H2O % Energía KJ/100g Jitomate 19.7 0.2 1.1 93.5 92 Frijoles 10.1 5.1 9.8 73.8 494 Carne de res 0.0 5.3 31.7 61.6 766 6/30/06 8:04:01 AM Bacalao 0.0 0.3 17.6 81.2 326 Pan blanco 50.4 3.2 8.7 35.8 1125 Leche 54.9 3.5 3.5 87.4 272 Huevo 0.9 11.5 12.9 73.7 682 Manzana 14.5 0.6 0.2 84.4 243 ¿Qué tipo de alimentos proporcionan la mayor cantidad de energía? ¿Por qué la mejor manera de adelgazar consiste en hacer más ejercicio? La siguiente tabla enlista los requerimientos energéticos de un joven como tú, observa y calcula cuánta energía necesitas por día: Tabla de requerimientos energéticos E0319-Unidad 4.4.indd 262 Actividad Kcal兾hora Watts Estar sentado 15 17 De pie y relajado 20 21 Escribiendo 20 21 Caminando 200 a 350 210 a 400 Corriendo 800 a 1 000 930 a 1 160 Bailando 200 a 400 210 a 460 Gimnasia 200 a 500 210 a 460 Tenis 400 a 500 460 a 600 Natación 300 a 900 350 a 1 050 Escalamiento 700 a 900 800 a 1 050 6/30/06 8:04:04 AM Diseña una dieta que satisfaga los requerimientos energéticos que calculaste. ¿Qué significado tienen las unidades de KJ兾100g en la tabla de alimentos? ¿Qué relación tienen estos datos con la reacción de combustión? ¿Investiga cuál es el procedimiento para obtener estos valores? ¿Crees que estos valores son un estándar; es decir, que sin importar la región, los alimentos tengan el mismo contenido energético que los enlistados en las tablas? Define energía química almacenada. Medición del calor Calor específico. A lo largo de nuestra vida hemos observado que los objetos diferentes absorben calor en forma distinta. Esto puede explicarse por el hecho de que los materiales tienen una composición y estructura únicas y, por consiguiente, absorben energía en función de estas características. Así, los elementos y los compuestos tienen un valor de calor específico, de la misma manera que lo pueden tener las mezclas homogéneas. Los buenos conductores del calor poseen valores pequeños de calor específico, mientras que los aislantes térmicos los tienen muy elevados. Como se vio en la primera unidad, el calor Q es una magnitud extensiva y, por lo tanto, depende de la cantidad de materia. También se vio que la energía calorífica se manifiesta cuando hay una diferencia de temperatura. De este modo, se puede decir que el calor es directamente proporcional a la masa y a la diferencia de temperatura. Q α mΔ ΔT E0319-Unidad 4.4.indd 263 6/30/06 8:04:04 AM Para escribir una igualdad sabemos que es necesario introducir una constante de proporcionalidad. Ésta es el calor específico. Así, Q ⴝ CemΔ ΔT donde: Ce calor específico m masa de sustancia ΔT diferencia de temperatura (Tf Ti) Tf temperatura inicial Ti temperatura inicial Por lo tanto, las unidades del calor específico son cal兾g °C. El calor específico del agua constituye un caso muy destacado. En comparación con todos los materiales comunes, el calor específico del agua (1 cal兾g °C o 4.184 J兾g °C) es muy alto y, gracias a ello, resulta ser un refrigerante excelente. Es decir, tarda más en calentarse y enfriarse que la mayoría de las sustancias y materiales. Más de 70% de la superficie terrestre se compone de agua. Este volumen permite la absorción de una gran cantidad de la energía solar durante el día y la devuelve luego de la puesta del Sol. La consecuencia más importante de este proceso es que la variación de la temperatura en la Tierra es mínima (25 °C) y la temperatura promedio de ésta es de 16 °C. Esta propiedad tan importante es la que regula el clima en la Tierra y permite que el agua se conserve líquida. En los sitios donde no hay grandes mantos acuíferos las temperaturas son extremas; son muy altas en la primavera y el verano y muy frías en parte del otoño y el invierno. En pocas palabras, el calor específico y la gran cantidad de agua que hay en la Tierra son factores determinantes para la regulación del clima. Calor sensible, calor latente y cambios de fase En estado sólido o líquido, las sustancias absorben calor de manera continua y, por lo tanto, se observa un aumento continuo de temperatura debido a que la energía cinética media de átomos o moléculas se va incrementando paulatinamente. A este aumento de temperatura se le da el nombre de calor sensible, y el calor que se absorbe corresponde al calor específico de la sustancia en ese estado físico. El valor del calor agregado o desprendido se calcula con la expresión Q CemΔT. Piensa y explica 1. Calcula la cantidad de calor que se libera cuando 200 g de agua pasan de 65 °C a 20 °C. 2. Calcula la cantidad de calor que debe suministrarse para que 200 g de hielo (Cehielo 0.5 cal/g °C) a 25 °C pasen a hielo a 0 °C. E0319-Unidad 4.4.indd 264 6/30/06 8:04:04 AM Cuando se llega al punto en que el sólido comienza a fundirse, o un líquido alcanza su punto de ebullición, se observa que el suministro de calor no causa un aumento de temperatura, sino que ésta permanece así mientras el sólido pasa al estado líquido o el líquido a vapor. En el caso de los sólidos, se le llama punto de fusión y el sólido sigue absorbiendo calor pero sin cambio de temperatura. Éste es el llamado calor latente de fusión o simplemente calor de fusión; se define como la cantidad de calor que se necesita para convertir 1 g de sólido en 1 g de líquido a la misma temperatura. Cuando se trata de líquidos, se llega a un punto en que éstos comienzan a hervir. Aquí, la temperatura se conserva constante y se conoce con el nombre de punto de ebullición. El fenómeno de absorción de calor recibe el nombre de calor latente de vaporización o calor de vaporización. Se define como la cantidad de calor que se requiere para convertir 1 g de líquido en 1 g de vapor a la misma temperatura. Todo lo anterior puede resumirse en la siguiente curva de calentamiento. v l→v v←l l T S sólido l líquido v vapor S→l S l←S calor agregado Curva de calentamiento de una sustancia pura. En las pendientes, el aumento de temperatura es continuo y, en general, el calor específico de la sustancia es el mismo. En las mesetas la temperatura se conserva constante, pues el calor suministrado se consume para pasar de sólido al líquido o de líquido a vapor a la misma temperatura. También es común que en los estados sólido, líquido o gaseoso de las sustancias puras los calores específicos no sean iguales. 3. Calcula la cantidad de calor que se necesita para que 200 g de agua a 100 °C pasen a vapor a 100 °C (calor de vaporización del agua 540 cal/g °C). E0319-Unidad 4.4.indd 265 6/30/06 8:04:05 AM La energía química es una forma de energía almacenada en las unidades estructurales de las sustancias; es decir, está determinada por el tipo y organización de los átomos de cada sustancia. Cuando las sustancias participan en una reacción química, la energía química se libera, se almacena o se convierte en otras formas de energía. 4. ¿Qué cantidad de calor se necesita para convertir 200 g de hielo a 15 °C en vapor de agua a 135 °C (Ce (H2O)vapor 0.5 cal/g °C). 5. ¿Cuál será el incremento de temperatura de 100 g de aluminio (Ce 0.214 cal/g °C), 100 g de cobre (0.092 cal/g °C) y 100 g de agua cuando la misma cantidad de metanol (CH3OH) (CeMeOH 0.605 cal/ g °C) se calienta de 20 °C a 50 °C. Primera ley de la termodinámica Cuando ocurre un proceso físico o químico hay transferencia de energía en forma de trabajo y calor, y la cantidad de energía involucrada no se crea ni se destruye, únicamente se trasforma. Ésta es una de las generalizaciones de la física y la química que se ha verificado en cada uno de los procesos estudiados; hasta el momento no se ha demostrado lo contrario. De esto se deriva la primera ley de la termodinámica. Las funciones de estado son las propiedades de un sistema que están determinadas por los estados inicial y final del sistema, y no por la manera como éste alcanzó el estado final. Un ejemplo de función de estado es la energía total de un sistema, llamada también energía interna, que se define como la suma de todas las energías cinéticas y potenciales de sus partes. Así, el cambio de energía interna (ΔE Δ ) es la diferencia entre la energía interna del sistema al término de un proceso y la que tenía al principio. Δ Efinal Einicial ΔE Piensa y explica 1. En una reacción química, ¿cuál sería el estado inicial y cuál el final? La primera ley de la termodinámica establece que todas las formas de energía pueden intercambiarse, pero no se pueden destruir ni crear, por lo cual la energía total del Universo permanece constante. Cualquier energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa. E0319-Unidad 4.4.indd 266 2. Escribe positivo o negativo en las líneas. Cuando Efinal Einicial, el valor de ΔE Δ es ____________ , lo cual indica que el sistema ganó energía de su entorno. Se obtiene un ΔE Δ ___________ cuando Efinal Einicial, lo cual indica que el sistema cedió energía a su entorno. Cuando un sistema sufre un cambio físico o químico cambia su energía interna. Esto se determina por el calor (q) q agregado o liberado del sistema, más el trabajo (w) w realizado sobre o por el sistema: Δ qw ΔE En la siguiente tabla se muestra la relación entre los signos de q y w y el signo de Δ E. Convención de signo para q Convención de signo para ω q 0: se transfiere calor del entorno al sistema ω 0 : se transfiere calor del entorno al sistema q 0: se transfiere calor del sistema al entorno ω 0 : se transfiere calor del entorno al sistema 6/30/06 8:04:07 AM Convención de signo para ΔE ⴝ q ⴙ ω Un proceso exotérmico o es aquel en el que el sistema libera calor al entorno. q 0 y ω 0 : ΔE 0 q 0 y ω 0: el signo de ΔE depende de las magnitudes de q y ω q 0 y ω 0 : el signo de ΔE depende de las magnitudes de q y ω q 0 y ω 0: ΔE 0 Ejemplo: 2 H2 (g (g) O2 (g (g) → 2 H2O ((l ) energía. Un proceso endotérmico o es aquel en el que el sistema absorbe calor del entorno. Ejemplo: Energía 2 HgO (s) s → 2 Hg (l ( ) O2 (g). Procesos endotérmicos y exotérmicos Se dice que ocurre un proceso exotérmico cuando en las sustancias hay cambios físicos o químicos con desprendimiento de calor. En general, estos procesos son espontáneos e irreversibles. Por ejemplo, cuando se deja un recipiente que contiene agua a una temperatura mayor que la ambiental, el sistema libera energía térmica hasta que adquiere la temperatura del ambiente. Este proceso ocurre en forma espontánea e irreversible, igual que en procesos semejantes. Durante las reacciones químicas se rompen enlaces entre los átomos y se forman nuevos. Para romper los enlaces químicos es necesario suministrar energía; es decir, se trata de procesos endotérmicos. Por el contrario, en la formación de enlaces químicos se libera energía y, por lo tanto, son procesos exotérmicos. El balance de energía entre la ruptura y la formación de enlaces químicos determina si el proceso global es endotérmico o exotérmico. Piensa y explica Observa los siguientes diagramas y explícalos en función de la energía de reactivos (estado inicial) y productos (estado final) y de la convención de signos para la energía interna. Energía potencial Ea Energía potencial Perfil de energía potencial para reacciones exotérmicas Perfil de energía potencial para reacciones endotérmicas Ea AB CD Avance de la reacción E0319-Unidad 4.4.indd 267 CD AB Avance de la reacción 6/30/06 8:04:08 AM Cuando un proceso químico es exotérmico —por ejemplo, las reacciones de combustión—, en las reacciones de combustión de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) hay que romper enlaces carbono–hidrógeno y oxígeno–oxígeno (procesos endotérmicos). Los productos de combustión de los hidrocarburos son bióxido de carbono y agua. La formación de estos productos genera gran cantidad de energía en forma de calor y, por consiguiente, el proceso global es exotérmico. CH4(g) 2 O2(g) → CO2(g) 2H2O(v) calor. Lo anterior significa que en los enlaces carbono–hidrógeno y oxígeno–oxígeno está almacenada gran cantidad de energía química potencial que se libera cuando se forman los enlaces carbono–oxígeno e hidrógeno–oxígeno. En consecuencia, estos últimos tienen mucha menos energía que los que les dieron origen. Piensa y explica Dibuja un diagrama de energía como el del ejercicio anterior y ubica los reactivos y productos de la reacción de combustión del metano. Para evaluar ΔE debemos medir q y w. Mediante experimentos calorimétricos —que se describirán en breve— puede medirse q, y en química el trabajo puede ser PV (cuando se producen gases) y trabajo eléctrico (transporte de carga eléctrica, que no se tratará aquí). Cuando se generan gases a presión constante w PΔV, el gas aumenta de volumen y realiza trabajo contra la atmósfera. Esto es, el gas realiza trabajo sobre los alrededores. Por lo tanto: ΔE q (PΔV) q PΔV si el proceso se efectúa a volumen constante (ΔV 0) y ΔE qv E0319-Unidad 4.4.indd 268 6/30/06 8:04:10 AM La medición de la energía interna de un sistema, luego de haberlo sometido a un cambio, sólo depende de los estados inicial y final de dicho sistema y no del trayecto que siguió para llegar a dicho estado final. En resumen, mediante el cambio de energía libre se mide la energía calorífica que se gana o se pierde a volumen constante. Los estados inicial y final del sistema deben especificarse con mucha claridad. Por ejemplo, si el sistema es una masa definida de agua (100 g) a una temperatura superior (60 °C) a la del ambiente (21 °C), el sistema tenderá a liberar energía calorífica hacia los alrededores para llegar a la del ambiente. Por otra parte, si el sistema es una masa igual definida de hielo (100 g) y la temperatura del ambiente (21 °C) es superior a la del hielo (°C), el sistema tenderá a recibir energía térmica de los alrededores hasta alcanzar la temperatura del ambiente. En ambos casos, los sistemas agua caliente y hielo alcanzaron el mismo estado final y su energía interna es la misma. En consecuencia, la energía interna es una función de estado y no depende del estado inicial. En el caso del agua caliente, sólo fue necesario que se desprendiera calor hacia los alrededores para llegar al estado final (proceso exotérmico). El hielo, en cambio, absorbió calor de los alrededores para primero fundirse y luego llegar al mismo estado final. Ambas trayectorias evidentemente fueron distintas; no obstante, se llegó al mismo estado final. Si se observa la curva de calentamiento de la figura 1, las trayectorias que siguen el agua caliente y el hielo son diferentes. En el estado inicial, el hielo comienza por fundirse y luego asciende por la pendiente para llegar al estado final. En este camino se absorbe energía térmica y, por lo tanto, se da un proceso endotérmico. La cantidad de calor que se absorbe es de: Q1 (100 g)(80 cal/g) 8,000 cal Q2 (100g)(1 cal/g °C)(21 0)°C 2,100 cal Qtotal Q1 Q2 10,100 cal En el caso del agua, los estados inicial y final se encuentran en la pendiente de la curva de calentamiento y el trayecto ocurre en descenso. En este recorrido se libera energía térmica y, en consecuencia, el proceso es exotérmico. Q (100 g) (1cal/g °C)(21 60)°C 3,900 cal Como se puede advertir, el calor absorbido o liberado q depende de la trayectoria que siguió el sistema para llegar al estado final y, por lo tanto, q es una función de trayectoria y no de estado. El trabajo w realizado por o sobre un sistema tampoco es función de estado pero sí de trayectoria. Sin embargo, su suma q w o sea E sí es función de estado, pues comprende a q y w que son complementarios. Cuando se trata de reacciones químicas, el tratamiento es semejante. Por ejemplo, en las reacciones donde no se producen gases la energía calorífica es la única presente. Pueden ser procesos endotérmicos o exotérmicos. En las reacciones donde intervienen gases, además de la energía calorífica que se suministre o se desprenda, se realiza trabajo sobre el sistema o éste hace trabajo hacia la atmósfera. A pesar de la magnitud del trabajo que se efectúa contra la presión atmosférica o ésta sobre el sistema, es insignificante y puede ignorarse. Casi todos los procesos que tienen lugar en un laboratorio de química y en la naturaleza —entre ellos, los que ocurren en los seres vivos— se efectúan a una presión atmosférica prácticamente constante. La medición de los cambios energéticos de estos procesos resulta más conveniente si se utiliza otra función de estado que recibe el nombre de entalpía y se simboliza como H. Al igual que la energía interna, no puede medirse el valor absoluto de entalpía, pero sí sus cambios H Hf Hi. E0319-Unidad 4.4.indd 269 6/30/06 8:04:11 AM Como el proceso tiene lugar a presión constante, entonces E qp PV y qp E PV o H E PV En resumen, con qp se mide el calor que se gana o se pierde a presión constante. La diferencia entre E y H es el trabajo PV que el sistema realiza a presión constante. Aun cuando intervienen gases, este trabajo PV es insignificante y la mayor parte de la energía en juego se manifiesta como calor. Por lo tanto, es una buena aproximación utilizar el cambio de entalpía en los procesos químicos. Por ejemplo, en la reacción: 2H2(g) O2(g) → 2H2O(g) H 483. 6 kJ y PV 2.5 kJ por tanto: E 483. 6 kJ 2.5 kJ 481.1 kJ Como puedes advertir, en este caso que intervienen gases, E y H son casi iguales. Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Explica con tus propias palabras la diferencia entre los significados de los términos calor, energía térmicaa y temperatura. 2. Explica si la energía térmica se conserva. 3. Explica bajo qué condiciones se puede representar el valor de H para una reacción 4. aa) Indica si los cambios siguientes son exotérmicos o endotérmicos: ii) CaCO3 (s) → CO2 (g (g) + CaO (s) s Hr 178.3 kJ ii) i H2 (g (g) Cl2 (g (g) → 2 HCl (g (g) Hr 184.62 kJ iii) i NH3 (g (g) + HCl (g) → NH4Cl (s) Hr 176.0 kJ E0319-Unidad 4.4.indd 270 6/30/06 8:04:12 AM b) Plantea las ecuaciones para las reacciones i y iii,i indicando la energía térmib ca como un reactivo o como un producto. cc) Indica si después de haber efectuado la reacción iii las paredes del recipiente se sentirán calientes o frías. Explica tu respuesta. E0319-Unidad 4.4.indd 271 6/30/06 8:04:12 AM Rapidez de reacción Lo que vamos a estudiar 4.5 Cinética química: rapidez de reacción 4.5.1 Factores que modifican la rapidez de las reacciones químicas 4.5.2 Teoría de las colisiones y del estado de transición E0319-Unidad 4.5.indd 272 6/30/06 8:06:38 AM ¡Activa tus ideas! ¿Las explosioness eestán relacionadas con la rapidez de las reacciones? s? ¿Qué reacciones es e conveniente que see eefectúen más rápido? E0319-Unidad 4.5.indd 273 6/30/06 8:06:46 AM 4.5 Cinética química: rapidez de reacción La cinética química estudia la rapidez con que se efectúan las reacciones químicas y los mecanismos por las que se llevan a cabo. La cinética química se dedica al estudio de la rapidez1 con que se efectúan las reacciones químicas y los mecanismos por los que ocurren dichas reacciones. Algunas reacciones tienen lugar con una rapidez que, si no se toman las precauciones correspondientes, llegan a ser explosivas. Con seguridad, has experimentado esto cuando enciendes una llama en la que se está quemado gas LP (gas licuado de petróleo). Otras son tan lentas que pueden pasar años sin que ocurran cambios evidentes en los materiales que están reaccionando. El amarillamiento de las páginas de los libros antiguos que responde a la combustión extremadamente lenta de la celulosa del papel es un ejemplo. Esto último ha llevado a diseñar espacios adecuados para la conservación de los libros en las bibliotecas y los archivos de documentos trascendentales que les dan a las naciones su legitimidad histórica, cultural y científica. Una de las aplicaciones importantes de la cinética química se da en cómo regular la rapidez de las reacciones para que algunas ocurran más aceleradamente y otras sean más lentas o menos peligrosas. Por ejemplo, en una mina de carbón donde puede haber grandes concentraciones de metano (gas grisú) no es recomendable encender fósforos o producir chispas que propicien la combustión del metano en forma explosiva. No obstante, si este gas se dosifica para consumirse, en el hogar o la industria, la reacción tiene lugar en forma controlada sin que ocurran explosiones. Con seguridad, en una fábrica de productos químicos lo que se busca es que las reacciones ocurran con la rapidez y la eficiencia suficientes para lograr mayores ganancias. No deja de ser importante la acción de los medicamentos en cuanto a tiempo y modo de acción. En algunos casos, la acción rápida es prioritaria; en otros, la acción lenta y prolongada del principio activo del medicamento es fundamental. Como consumidores, nos gustaría contar con pinturas, cementos y materiales dentales de secado y fraguado rápidos, así como con objetos metálicos que no se deterioren tanto por el uso y el ambiente. También es importante reducir al mínimo, o de plano evitar, las reacciones químicas que causan deterioro ambiental —como los clorofluorometanos (freones)— que han causado la destrucción de la capa de ozono de la estratosfera. El descubrimiento del mecanismo de acción de estos compuestos llevó rápidamente a sustituirlos para evitar la destrucción de esa capa protectora. Así, podríamos seguir mencionando situaciones donde la rapidez y los mecanismos de las reacciones químicas son determinantes; pero con estos pocos ejemplos quizá podamos percatarnos de la importancia de este tema de la química. Reacciones lentas Tal vez la rapidez con que ocurren las reacciones lentas no ofrezca tantas dificultades para el estudio de éstas. Y es que se tiene tiempo suficiente para ir midiendo el cambio de concentración de los reactivos o, si es más conveniente, el aumento de concentración de los productos durante el tiempo que dura la reacción. En la medición de la rapidez de estas reacciones pueden utilizarse métodos químicos directos. En estos casos se van tomando muestras del recipiente de reacción que se analizan a intervalos para seguir el cambio de concentración de los reactivos y/o productos. 1 En muchos textos de química se utilizan los términos rapidez y velocidad d indistintamente. Aquí sólo se empleará el término rapidez, ya que se trata de un escalar. El término velocidad se considera como vector y, por consiguiente, no se utilizará en este texto. E0319-Unidad 4.5.indd 274 6/30/06 8:06:54 AM No es necesario realizar el análisis de todos los reactivos o productos. Si se conoce la estequiometría de la reacción, con el análisis de uno de ellos es suficiente. Un ejemplo de este tipo de reacciones podría ser la síntesis de sulfanilamida (un antibiótico), a partir de acetanilida y ácido clorosulfónico, que puede durar hasta seis horas. Otro caso interesante es la hidrólisis del acetato de etilo con ácido clorhídrico, reacción que puede durar hasta una semana. CH3CONHC6H5 ⫹ HSO3Cl → acetanilida ácido clorosulfónico CH3COOC2H5 ⫹ H2O H2NC6H4SO2NH2 ⫹ sulfanilamida H⫹ → CH3COOH ⫹ C2H5OH En reacciones relativamente más rápidas, en comparación con las que duran horas o días, se pueden utilizar métodos conductimétricos (aparición o desaparición de especies iónicas). Un ejemplo es la reacción de hidrólisis de haluros de alquilo. (CH3)2CH ⫺ Br ⫹ 2H2O → (CH3)2CH ⫺ OH ⫹ H3O⫹ ⫹ Br⫺ O métodos manométricos, que consisten en la medición de volúmenes gaseosos que van apareciendo en un proceso donde se generan gases (descomposición del agua oxigenada). H2O2(ac) → H2O(l) ⫹ 1兾2 O2(g) Reacciones rápidas En el caso de las reacciones muy rápidas es necesario el uso de métodos de flujo y de pulso. La descripción de estos métodos queda fuera del alcance de este texto, ya que implica el empleo de técnicas espectrofotométricas. Baste decir que el desarrollo de los métodos convencionales de flujo se iniciaron en 1887 y fueron seguidos por los métodos ultrasónicos (1960), reacciones en solución que ocurren en microsegundos y nanosegundos (transferencia de protones y cambios de configuración). La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) sirve para medir la rapidez de las reacciones que tienen una duración de 10⫺5 segundos. Los métodos de fotólisis instantánea se han utilizado hasta ahora para medir la rapidez de las reacciones químicas (en microsegundos en 1950; en nanosegundos en 1970; en picosegundos, en 1976, y en subpicosegundos en 1980). Las técnicas ultrasónicas se utilizan en procesos que ocurren en microsegundos y nanosegundos, como la transferencia de protones y los cambios de configuración. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear también es aplicable a la cinética de extrema rapidez. El análisis de la anchura de los picos de los espectros de RMN proporciona información valiosa de procesos con vida media de 10⫺5 segundos. Las investigaciones de resonancia del espín electrónico se utilizan en reacciones donde intervienen radicales libres (estas especies son paramagnéticas). Conexión al mundo Alfred Nobel, el inventor sueco de la dinamita, era una persona solitaria; a menudo estaba enfermo y padecía depresión crónica. Leía, hablaba y escribía en cinco idiomas con fluidez: sueco, ruso, inglés, francés y alemán. E0319-Unidad 4.5.indd 275 6/30/06 8:06:55 AM Había inventado el explosivo militar más potente conocido hasta entonces, por lo que se convirtió en un hombre muy rico. La nitroglicerina es un líquido aceitoso amarillo claro. A veces es suficiente con agitar el líquido para causar su descomposición explosiva en nitrógeno, dióxido de carbono, agua y oxígeno gaseosos. Si la fórmula de la nitroglicerina es C3H5N3O9 balancea la ecuación química de su descomposición. C3H5N3O9 → N2(g) ⫹ CO2(g) ⫹ H2O(g) ⫹ O2(g) En su testamento, Alfred Nobel dejó estipulado que su fortuna debía utilizarse para estimular a quienes trabajaran en beneficio de la humanidad. 4.5.1 Factores que afectan la rapidez de las reacciones químicas Con todo, y a pesar de la complejidad del tema, existen algunas variables con las que podemos abarcar los aspectos principales que regulan la rapidez con que tienen lugar las reacciones químicas. A saber: • Naturaleza de los reactivos • Temperatura • Concentración de los reactivos • Presión • Presencia de catalizadores Todos estos aspectos tienen que ver con dos teorías que explican el acaecimiento de las reacciones químicas: las teorías de las colisiones y del estado de transición. 4.5.2 Teorías de las colisiones y del estado de transición trra Las reacciones bimoleculares son aquellas donde intervienen dos especies químicas. Estas especies pueden ser moléculas o iones. La teoría de las colisiones es importante cuando se trata de reacciones en una sola fase (gaseosa y en solución). Esto no es sorprendente, pues para que las sustancias reaccionen necesitan chocar entre sí con cierta energía y frecuencia. De otro modo, no se entendería que hubiera reacciones químicas. Aunque en fase gaseosa las colisiones son directas y sin importar el punto de colisión, éstas se asemejan bastante a las reacciones entre iones que no implican transferencia de electrones. Es decir, estas reacciones tienen lugar por simple “encuentro” entre los reactivos. A⫹B → C⫹D La teoría del estado de transición es más incluyente y se aplica muy bien a las reacciones bimoleculares.2 Además de explicar de modo satisfactorio las reacciones que tienen lugar en una sola fase, también lo hacen en reacciones en fase heterogénea. Entre las reacciones 2 En las reacciones bimoleculares, como su nombre lo indica, intervienen dos especies químicas al mismo tiempo. Pueden ser moléculas o iones. E0319-Unidad 4.5.indd 276 6/30/06 8:06:56 AM que se explican mejor mediante esta teoría están, como ya se dijo, las reacciones orgánicas bimoleculares y las reacciones redox de metales de transición. En estas últimas los iones reaccionantes deben estar en estado de transición “bimolecular” para que pueda ocurrir la transferencia de electrones. La colisión simple no explica satisfactoriamente este proceso. Ce4(ac) Fe2(ac) → Ce3(ac) Fe3(ac) En general, puede resumirse como A B → AB AB → C D Naturaleza de los reactivos Aunque no se trata de un proceso químico, te habrás percatado de que cuando disuelves azúcar en agua, la rapidez de disolución es mayor si el azúcar se encuentra en forma granular que cuando lo está en forma de caramelo. La superficie también es importante en los procesos químicos. Por ejemplo, un metal en polvo reacciona con más rapidez con los ácidos que cuando está como granalla (trozos de tamaño regular). En general, mientras los reactivos se encuentren en partículas cada vez más pequeñas e incluso (mucho mejor) en forma de las especies que van a reaccionar (átomos, iones o moléculas), las reacciones serán más fáciles. Como lo podrás advertir, esto permite una interacción mayor entre los reactivos y se traducirá en una rapidez de reacción más elevada. Haciendo ConCiencia Observa la gráfica y contesta las preguntas. #ONCENTRACIØN DE / MOLY, $;/= $ T $;/= 6ELOCIDAD $;/= $T 6ELOCIDAD $;/= $T 6ELOCIDAD $;/= $T $T $;/= $T 4IEMPO S 1. ¿Qué tendencia observas en la gráfica? E0319-Unidad 4.5.indd 277 6/30/06 8:07:23 AM 3. ¿Cómo cambia la rapidez con respecto a la concentración de oxígeno? 4. Si la reacción que se lleva a cabo es la siguiente: 2N2O5 → 4NO2 O2 a) La rapidez de reacción que calculaste es: i) la de formación del O2 ii) la de descomposición del N2O5 iii) la de formación del O2 b) Para obtener un mol de oxígeno se necesitan ____ _ __________ moles de N2O5 5. ¿Qué pasará con la concentración de N2O5 conforme avance la reacción? 6. ¿Cómo será la rapidez de descomposición del N2O5 con respecto a la rapidez de formación de O2? Otro aspecto que puede tratarse aquí es la reactividad química. Por ejemplo, los metales alcalinos (litio, sodio, potasio) y algunos de los no metales (flúor, cloro, fósforo) son en extremo reactivos. En cambio, los metales de acuñar (cobre, oro y plata, entre otros) son muy estables y se puede decir que poco reactivos. Muchos compuestos orgánicos y bioquímicos tienen un sitio específico donde ocurre la reacción y, por consiguiente, si las interacciones entre los reactivos no ocurren en ese sitio específico, simplemente no habrá reacción. Como puedes ver, hay varios factores inherentes a la naturaleza de los reactivos que afectan en forma notable la rapidez de las reacciones químicas. También, la rapidez dependerá de si las reacciones tienen lugar en un medio homogéneo o heterogéneo. En un medio homogéneo las reacciones ocurren con más facilidad porque, probablemente, con el simple movimiento térmico o una ligera agitación los reactivos se ponen en contacto. No ocurre lo mismo con las reacciones en fase heterogénea. En éstas, la reacción sólo ocurrirá en la interfase y se necesitará una agitación vigorosa y un sólido molido finamente para tener mayor superficie de contacto. E0319-Unidad 4.5.indd 278 6/30/06 8:07:26 AM Concentración de los reactivos En la rapidez de las reacciones químicas, la concentración de los reactivos es determinante. Si la concentración es baja, la posibilidad de que haya reacción es limitada y tardará más tiempo en efectuarse. Si se aumenta la concentración, la posibilidad de encuentros entre los reactivos aumenta y, por consiguiente, la rapidez también será mayor. Observemos los siguientes esquemas: j j j j A B C En el esquema a, las posibilidades de encuentro entre las partículas de reactivos es baja porque están poco concentradas. En el b, el incremento de los encuentros aumenta en forma geométrica, pues se ha acrecentado la concentración de partículas de reactivos. En el c, es fácil ver que los encuentros también aumentan en forma geométrica, ya que se ha incrementado la concentración de uno de los reactivos y las posibilidades de encuentro también se ven favorecidas. Haciendo ConCiencia Materiales: Dos matraces Erlenmeyer Un tapón horadado Un trozo pequeño de vidrio Una manguera delgada Una jeringa Granalla de zinc Un cronómetro 10 ml de HCl 0.1 M 10 ml de HCl 1 M Procedimiento: 1. Pesa 0.5 g de zinc y agrégalo a un matraz; pesa de nuevo 0.5 g y agrégalo al otro matraz. Etiqueta tus matraces como 1 y 2. 2. Introduce el tubo de vidrio en el tapón horadado y usa la manguera para conectarlo con la punta de la jeringa. Asegúrate de que el émbolo esté totalmente dentro de la jeringa. 3. Prepara tu cronómetro. 4. Agrega la solución 0.1 M de HCl al matraz 1; lo más rápido que puedas, coloca el tapón conectado a la jeringa y acciona el cronómetro. 5. Espera exactamente 60 segundos y mide el volumen que se ha desplazado el émbolo. 6. Repite los pasos del 2 al 5 con el matraz 2 y la solución 1M de HCl. E0319-Unidad 4.5.indd 279 6/30/06 8:07:27 AM Registra tus resultados: Matraz 1 Vol. desplazado en 60 s: Matraz 2 Vol. desplazado en 60 s: Rapidez de reacción volumen desplazado 兾 tiempo de reacción Rapidez de reacción: Rapidez de reacción: 1. Escribe la ecuación de la reacción que acabas de realizar. 2. ¿Cómo explicas la diferencia en los resultados de rapidez de la reacción? 3. Usa la teoría de colisiones. Resúmela para explicar gráficamente las diferencias que existen en las condiciones de reacción de tus matraces. E0319-Unidad 4.5.indd 280 6/30/06 8:07:28 AM Temperatura Otro aspecto fundamental es la temperatura. Cuanto mayor sea la agitación cinética de las partículas de reactivos, mayor será la posibilidad de encuentros y, por lo tanto, la rapidez de la reacción se acrecienta. Esto se puede advertir con facilidad en la descomposición rápida de los alimentos en climas calurosos, pues para hacer más lentas las reacciones que favorecen laa descomposición, es necesario refrigerarlos. Sin embargo, en los climas fríos no es muy necesaria la refrigeración. En los procesos exotérmicos es común evitar el aumento de temperatura, o reducirlo al mínimo, ya que la reacción inversa a la deseada se ve favorecida por el incremento de temperatura. Como puedes ver, la termodinámica y la cinética permiten regular las condiciones que mejor convengan para obtener la máxima eficiencia de un proceso químico. En los procesos endotérmicos el aumento de temperatura siempre será favorable para las reacciones químicas, pues el aumento de las colisiones será mayor. Catalizadores Los catalizadores son sustancias que, sin sufrir alteraciones en el proceso químico, acrecientan la rapidez de algunas reacciones muy lentas. Estas sustancias reducen al mínimo lo que se conoce como energía de activación y permiten que el incremento de temperatura sea mínimo. La energía de activación puede ilustrarse con las reacciones de combustión de hidrocarburos. El gas butano, por ejemplo, puede estar mezclado con oxígeno gaseoso y permanecer así sin reaccionar por mucho tiempo. Sin embargo, si se acerca una llama o se produce una chispa, la mezcla reacciona de inmediato y, si no se tiene cuidado, puede ocurrir una explosión. La llama —o la chispa— es el medio para salvar la barrera de lo que se conoce como energía de activación. Dicha barrera es lo que impide que ocurra la reacción. La función de los catalizadores es, precisamente, reducir al mínimo la energía de activación y, en estas circunstancias, hacer que la reacción tenga lugar sin que se requiera un suministro grande de energía (por ejemplo, un aumento de la temperatura). Un caso muy conocido es la reacción de descomposición del agua oxigenada. H2O2 → H2O 1兾2 O2 La descomposición de esta sustancia es muy lenta sin la presencia de un catalizador. Se requiere de calentamiento para que ocurra la descomposición. No obstante, si se añade ión yoduro en solución (catálisis homogénea), o MnO2 sólido (catálisis heterogénea), la descomposición se inicia de inmediato sin la necesidad de calentar. Esto se observa por el desprendimiento de burbujas de O2 gaseoso. Como se mencionó, la descomposición ocurre sin que se altere el catalizador, cualquiera que éste sea. E0319-Unidad 4.5.indd 281 6/30/06 8:07:28 AM Desde el punto de vista industrial, algunos ejemplos importantes del uso de catalizadores en fase heterogénea son: a) La síntesis del amoniaco (proceso Haber) a partir de sus elementos donde se utiliza al hierro como catalizador, además de óxidos de potasio y aluminio. b) La fabricación de ácido nítrico mediante el proceso Ostwald a partir de amoníaco y oxígeno en presencia de un catalizador de platino–rodio. c) El empleo de convertidores catalíticos en el escape de los automóviles para convertir óxidos de nitrógeno en nitrógeno y oxígeno, y el monóxido de carbono en dióxido de carbono. Los catalizadores comunes son óxidos de cobre y de cromo(III) y otros óxidos de metales de transición. Piensa y explica Investiga en qué consisten los procesos de Haber y Ostwald. Algunos ejemplos importantes de catálisis homogénea son: aa) La conversión de SO2 a SO3 utilizando óxido nítrico como catalizador en el proceso de fabricación de ácido sulfúrico. b) La descomposición de H2O2 en agua y oxígeno molecular utilizando como b catalizador el ión yoduro o el ión bromuro Piensa y explica Investiga la importancia del ácido sulfúrico como producto industrial y cómo ocurre la catálisis de la destrucción de la capa de ozono a causa de la presencia de los freones. Haciendo ConCiencia Catálisis de colores ¿Se puede observar un catalizador en acción?, compruébalo con este juego de colores... Material: Termómetro Parrilla de calentamiento (puede sustituirse por un mechero, soporte universal, anillo metálico o tela de asbesto) dos vasos de precipitado 100 ml un vaso de precipitado de 250 ml x ml peróxido de hidrógeno al 30% (puedes comprarlo en la farmacia) x ml de una solución X M de tartrato de potasio y sodio (KNa4H4O6 4H2O), también llamado sal de La Rochelle x ml de una solución X molar de cloruro de cobalto hexahidratado (CoCl2 6H2O) E0319-Unidad 4.5.indd 282 6/30/06 8:07:29 AM Procedimiento 1. Coloca la solución de tartrato de sodio y potasio en un vaso de precipitado de 250 ml y agrega el peróxido de hidrógeno. Observa muy bien qué sucede y anota tus observaciones. 2. Calienta ligeramente la solución y observa qué sucede, mide la temperatura mientras calienta y anota la temperatura a la que observas cambios. 3. Retira la solución del calentamiento y coloca el vaso sobre una hoja blanca o cualquier superficie clara que te permita observar mejor. 4. Agrega muy lentamente la solución de cobalto y registra todos los cambios que ocurren en tu solución. Una vez que hayas agregado toda la solución, espera un poco hasta que los cambios se detengan por completo. Observaciones: Si la reacción que se lleva a cabo entre KNaa4H4O6 4H2O y H2O2 es la siguiente, contesta: KNa4H4O6 6H2O 5H2O2 → 4CO2 NaOH KOH 6H2O 1. ¿Qué evidencia experimental tienes para decir que ocurre la reacción? 2. ¿El cambio de temperatura afecta la rapidez de la reacción? ¿Cómo notas la influencia de la temperatura en tu experimento? 3. ¿De qué color es la solución de CoCl2 6H2O? 4. ¿De qué color es la solución final después de la reacción? 5. ¿Qué función tiene el CoCl2 6H2O en tu experimento? 6. Investiga qué es un intermediario de reacción. E0319-Unidad 4.5.indd 283 6/30/06 8:07:30 AM 7. ¿Qué color tiene el intermediario de reacción en tu experimento? 8. Investiga la fórmula y las características del tartrato de cobalto. 9. ¿Harías algunas modificaciones al procedimiento experimental de esta práctica? ¿Cuáles? Conexión al mundo Catálisis enzimática Las reacciones en las diversas células de los organismos vivos tienen lugar a través de procesos catalizados por sustancias químicas muy complejas. Lo más interesante y asombroso es la existencia de tantas enzimas y reacciones que ocurren en los organismos vivos. En otras palabras, las enzimas son en extremo específicas, ya que sólo catalizan un tipo de reacción. A las sustancias que se transforman para realizar los diversos procesos en los organismos vivos se les llama sustratos. Sin las enzimas estos procesos se verían seriamente afectados. Un caso típico en la sociedad contemporánea es la deficiencia de la enzima insulina para el metabolismo de la glucosa. El resultado de esta deficiencia se conoce como diabetes. Las enzimas tienen características tanto de los catalizadores homogéneos como de los heterogéneos. De manera ordinaria, se encuentran embebidas en las paredes celulares relativamente inmovilizadas (catálisis heterogénea), donde el sustrato se adhiere temporalmente esperando el acercamiento con la sustancia que va a reaccionar. Los grupos de aminoácidos de la enzima interactúan con los sustratos en secuencias de varias etapas donde forman intermediarios (catálisis homogénea) hasta llegar al producto final. Hasta el momento existen dos modelos que explican la acción enzimática. Uno es el de la llave y cerradura y el otro el de forma inducida o adaptación inducida. E0319-Unidad 4.5.indd 284 6/30/06 8:07:31 AM Piensa y explica Investiga en qué consisten los modelos de llave y cerradura y el de forma inducida o adaptación inducida. Evalúate y aplica tus conocimientos 1. Elabora un mapa conceptual con los factores que afectan la rapidez de una reacción. 2. Resuelve el siguiente problema: El ión yoduro es oxidado por el ión hipoclorito en solución básica: I⫺(ac) ⫹ ClO⫺(ac) → Cl⫺(ac) ⫹ IO⫺(ac) La concentración de yoduro a tiempos diferentes es como sigue: Tiempo [I⫺] 2.00 s 8.00 s 0.00169 M 0.00101 M Calcula la rapidez promedio de la reacción de I⫺ durante ese intervalo de tiempo. E0319-Unidad 4.5.indd 285 6/30/06 8:07:53 AM Desarrollo sustentable Lo que vamos a estudiar 4.6.1 Consumismo e impacto ambiental 4.6.2 Desarrollo sustentable E0319-Unidad 4.6.indd 286 6/30/06 8:09:30 AM ¡Activa tus ideas! ¿Por qué es tan fác fácil contaminar el agua? ¿Conoces ¿C los pasos para ra pu purificar el agua? ¿Qué proceso indus ustrial conoces que no cont ontamine o que contaminee mu muy poco? E0319-Unidad 4.6.indd 287 6/30/06 8:09:37 AM 4.6.1 Consumismo e impacto ambiental La perturbación del clima en la Tierra ha tenido la respuesta de diversos países, los cuales formaron la Convención del Cambio Climático durante la Cumbre de la Tierra que se celebró en 1992 en Río de Janeiro, Brasil, bajo los auspicios de la Organización de las Naciones Unidas (ONU). Esta convención estableció objetivos de largo plazo, a fin de estabilizar las concentraciones atmosféricas de los gases de efecto invernadero en niveles donde sea posible prevenir una interferencia antropogénica peligrosa para el sistema climático. Con su capa de ozono, la atmósfera nos protege de los rayos ultravioleta (UV) del Sol. En consecuencia, una interferencia antropogénica peligrosa es contaminar, como lo hemos estado haciendo, para crear un hoyo —que ya existe— en dicha capa y permitir la entrada de los rayos UV que irradia el Sol. Asimismo, los países desarrollados involucrados establecieron metas voluntarias para reducir los niveles de las emisiones en un lapso de 10 años (de 1990 a 2000); pero pocos cumplieron. Debido a este fracaso, se reconoció que era necesario un esfuerzo mayor. Para 1997 varios países negociaron el Protocolo de Kioto, cuyo objetivo es reducir las emisiones en 5.2% por debajo de los niveles de 1990; el plazo para su cumplimiento termina en el año 2012. Por último, cabe señalar que Australia y Estados Unidos no han ratificado el protocolo, a pesar de que juntos producen más de 30% de los gases de efecto invernadero. El efecto invernadero Es un proceso natural donde ciertos gases, como vapor de agua, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y ozono, absorben energía que, debido a este fenómeno, queda atrapada en la atmósfera. Esto mantiene la temperatura de la biosfera en un rango donde la vida puede subsistir. Esas sustancias son los gases de invernadero. En cambio, con la actividad humana (automóviles, fábricas, estufas, sistemas de refrigeración, aire acondicionado y cualquier otra labor del hombre que contamine) se liberan más gases invernadero, lo cual significa que la cantidad de energía atrapada en la atmósfera aumenta y por ello se genera un efecto invernadero que se suma al natural. Un problema que se deriva del calentamiento global es el adelgazamiento o desaparición de la capa de ozono (O3). La atmósfera está dividida en varias partes, una de ellas es la estratosfera. En ésta se encuentra una capa con grandes concentraciones de O3. Como ya lo habíamos mencionado, la capa de ozono protege a la Tierra de los rayos ultravioleta provenientes del Sol. En general, la disminución del ozono permite el paso de los rayos UV y de esta manera aumentan los casos de cáncer en la piel, cataratas en los ojos y debilidad en la E0319-Unidad 4.6.indd 288 6/30/06 8:09:45 AM respuesta del sistema inmunológico. La vida vegetal y animal, así como del fitoplancton en los océanos, puede ser gravemente afectada. Desgraciadamente, cada uno de nosotros hace su contribución. Existen muchos productos químicos que consumimos y/o usamos que contaminan de una u otra manera. Analizaremos algunos de ellos, sobre todo los que, desde nuestro punto de vista, tienen mayor repercusión en el medioambiente. Sistemas de refrigeración Empecemos por entender cómo funciona este tipo de sistemas. Por ejemplo, el aire acondicionado y los refrigeradores operan con las mismas bases. Su sistema está compuesto por un compresor, un juego de bobinas construidas con tubos por donde fluye el gas freón y una válvula de expansión. baja presión Evaporador Ciclo de Refrigeración alta presión Reg. de presión Condensador Área refrigerada Área exterior Compresor En química, el gas freón es conocido como fluorocarbono. Se usa en el aire acondicionado de los automóviles, así como en aerosoles, aisladores térmicos y otros productos. Existe en cuatro tipos: HFC, PFC, SF6 y HCFC; cada uno tiene sus derivados. La disminución de E0319-Unidad 4.6.indd 289 6/30/06 8:09:46 AM la capa de ozono se debe a la presencia de nitrógeno y cloro en la atmósfera; las mayores fuentes de cloro son los clorofluorocarbonos. Una sola molécula de cloro proveniente de un fluorocarbono puede destruir cerca de 10,000 moléculas de ozono, ya que reacciona como un catalizador. Recuerda que en la tercera unidad vimos lo que es un catalizador: es aquel que acelera una reacción sin intervenir en los productos de ésta. Estos clorofluorocarbonos (CFC) son poco solubles; por eso, cuando son liberados a la atmósfera como contaminantes, alcanzan la estratosfera porque la lluvia o el vapor de agua no pueden solubilizarlos. La reacción de destrucción de las moléculas de ozono empieza con los rayos solares, los cuales entran en contacto con los CFC para producir un átomo de cloro altamente reactivo, siendo éste el que reacciona con el ozono. Todo esto finaliza con la formación de un agujero en la capa de ozono que permite la entrada de los rayos UV. A partir de las investigaciones del doctor Mario Molina (Premio Nobel de Química 1995) se ha gestionado la prohibición de los CFC. Piensa y explica Investiga qué temas aborda el trabajo que realizó Mario Molina y escribe aquí un breve resumen. Materiales que contaminan Para que te des una idea del impacto ambiental de los diferentes tipos de materiales que consumimos, observa la siguiente tabla: Producto Tiempo para biodegradarse Papel Cáscaras de naranja de 2 a 5 meses 6 meses Filtros de cigarro Cartones de leche de 1 a 12 años 5 años Zapatos de piel Lata de aluminio de 25 a 40 años de 80 a 200 años Bolsa de plástico 450 años ¿Cuántas bolsas de plástico has tirado en la calle? Suma los años de biodegradación. ¿Cuántas bolsas de plástico han tirado en la calle tú y tu compañero de escuela? Sigue sumando. ¿Cuántas bolsas de plástico ha tirado en la calle todo tu grupo? 4.6.2 Desarrollo sustentable ¿Qué entiendes por desarrollo sustentable? Para entender este concepto la palabra clave es “sustentable”. De acuerdo con el Diccionario de la Real Academia Española significa que se puede sustentar o defender con razones. “Sustentar” viene del latín y tiene varios significados; el que nos sirve es: conservar algo en su estado. Queda más claro si te damos varios E0319-Unidad 4.6.indd 290 6/30/06 8:09:47 AM sinónimos de conservar, como preservar, mantener o salvaguardar. Según la ONU, es aquel desarrollo que cubre las necesidades del presente sin comprometer a las futuras generaciones para cubrir sus propias necesidades. Existen diversas materias que tienen estrecha relación con el desarrollo sustentable. Citemos algunas: agricultura; atmósfera; biodiversidad; biotecnología; cambio climático; patrones de consumo y producción; educación; energía; finanzas; bosques; salud; industria; manejo y administración de tierras, mares y océanos; pobreza; ciencia; tecnología; productos químicos tóxicos; comercio; transporte; desechos peligrosos (radiactivos y sólidos), etcétera. Un objetivo de la comunidad científica en relación con el desarrollo sustentable es que cada especialista en su área de trabajo (física, matemáticas, biología, química y otras) elabore y adapte el uso de tecnologías y sistemas de producción ecológicamente racionales. Por ejemplo, se están desarrollando nuevas técnicas —como la energía eólica— que son inofensivas para el medioambiente. Por el contrario, supongamos que un científico descubre la manera de suministrar energía a un país en su totalidad, pero para lograrlo necesita consumir todos los bosques y selvas de esa nación; entonces, no estará cumpliendo con todo lo relativo a la salvaguarda de la naturaleza. La generación de energía eólica es de lo más ecológico que existe en cuanto al consumo energético, ya que la mayoría de los métodos convencionales contamina. En cambio, las turbinas de viento para producir electricidad no contaminan y uno de los pocos desperdicios que este método podría tener está en su mantenimiento; por ejemplo, cuando se tenga que cambiar un molino, el viejo ya sería basura en el caso de que no se le diera un nuevo uso. Para llegar a un desarrollo sustentable es necesario analizar muchos puntos en cuestión; por ejemplo, hay que comprender los efectos de la actividad humana en el medioambiente y definir soluciones adecuadas; para esto se requiere disponer de un conocimiento sólido que precisamente dan los científicos, tanto para el desarrollo de nuevas tecnologías como para conocer el funcionamiento de los ecosistemas y sus relaciones con la humanidad. Expliquemos esto con un ejemplo. Las necesidades de un científico japonés van a ser distintas de las de uno hindú, ya que sus ecosistemas, tradiciones culturales y religiosas son diferentes. El japonés vive en una isla cuya densidad de población es muy alta (327 personas por kilómetro cuadrado), mientras que en la India es un poco menor (274 personas por kilómetro cuadrado). Otra diferencia es que Japón está muy expuesto a sufrir terremotos, mientras que en la zona costera de la India hay un alto riego de inundaciones y tsunamis. Estas dos disimilitudes crean necesidades diversas, ya que el japonés cuenta con un área menor que la India para desarrollar sus ciudades; por lo tanto, tiene que construir edificios que sean muy resistentes a los terremotos. El territorio japonés, aparte de ser pequeño en comparación con el de la India, tiene muchas montañas que dificultan la agricultura; aunque los campesinos nipones adoptaron el método de terrazas para sembrar. E0319-Unidad 4.6.indd 291 6/30/06 8:09:48 AM El sistema de terrazas es inapropiado para el empleo de tractores o maquinaria agrícola debido a la distribución del espacio, aunque sí es factible trabajar con animales. En la India esto es imposible, ya que las vacas y los toros son sagrados, pues por determinadas convicciones religiosas estos animales toman un lugar especial en la sociedad hindú que los respeta hasta la veneración; por lo tanto, no se les maltrata ni se les mata para comer. Observa que estas diferencias cambian por completo un plan de desarrollo. Desde tiempos remotos la tecnología ha librado una batalla constante para ganar cierta aceptación. Los avances tecnológicos han enfrentado siempre retos en la manera que deben ser usados y controlados. Cada tecnología, como ya lo dijimos, es susceptible de ser manipulada y de que se cometan abusos con ella. Te toca a ti informarte, conocer, razonar y discernir para que colabores con tu granito de arena y hagas de la ciencia y la tecnología un viaje maravilloso. E0319-Unidad 4.6.indd 292 6/30/06 8:09:49 AM Apéndice Vectores en el plano Determinación de un vector Vector. Queda determinado si conocemos su: • Magnitud: es la longitud del vector y siempre tiene que ser un número real. Se representa así: 兾m兾. Se obtiene al calcular la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de sus componentes. 兾m兾兾 ⫽ a 2 b2 • Dirección: es la recta en la que está contenido el vector. Dos o más vectores tienen la misma dirección si están contenidos en la misma recta o en una paralela. • Sentido: es el recorrido que se sigue en la recta al trasladarse del origen al extremo del vector. Para comparar el sentido entre varios vectores éstos deben tener la misma dirección. También puede quedar definido si sólo conocemos: • Magnitud: es la longitud del vector. • Argumento: es el ángulo que va desde el semieje positivo x al vector. El argumento resulta de calcular el arco tangente del segundo componente entre el primero. α ⫽ Arc tangg a b B b A a Según el cuadrante en el que se encuentre el vector, el argumento se calcula así: 2º cuadrante: β ⴝ 180 ⴚ α 3er cuadrante: β ⴝ 180 ⴙ α 4º cuadrante: β ⴝ 360 ⴚ α También puede estar definido únicamente por: • Componentes de un vector: son los números que representan los caminos horizontal y vertical que se han de seguir para llegar del origen al extremo: 4 (a, b). E0319-Apéndice.indd Sec1:293 6/30/06 8:11:10 AM Los componentes se calculan: A ⴝ (a1, b1) B ⴝ (a2, b2) 4 ⴝ B–A ⴝ (a2, b2) ⴚ (a1, b1) ⴝ [(a2–a1), (b2–b – 1)] NOTA: Si tienen la misma dirección, sentido y módulo, son vectores equipolentes. Un vector que empieza y acaba en el mismo punto es un vector nulo AA ⫽ (0, 0) Espacio vectorial Conjunto de vectores con las propiedades de la suma y las propiedades asociativas y distributivas del producto. R2 {(3,5) (5,4) . . .} R3 {(3,5,7) (2,4,13) . . .} Suma de vectores El resultado de la suma de vectores es otro vector. El cálculo de la suma de vectores se puede realizar de dos formas diferentes: 1. En función de sus componentes: AÊÊBÊÊ(a1,b1)ÊÊ(a2,b2)Ê [(a1ÊÊa2), (b1ÊÊb2)]ÊÊ(a1ÊÊa2, b1ÊÊb2) 2. Geométricamente, para lo que hay dos métodos: a) Regla del paralelogramo. Consiste en trasladar ambos vectores con el mismo origen. El vector suma se obtiene como la diagonal del paralelogramo que tiene por lados dichos vectores. b) Regla del polígono. Consiste en trasladar uno de los dos vectores hasta colocar su origen sobre el extremo del otro. a) Regla del paralelogramo E0319-Apéndice.indd Sec1:294 b) Regla del polígono 6/30/06 8:11:13 AM Propiedades de la suma a) Ley de composición interna: la suma de vectores es otro vector. b) Asociativa: (aÊÊb)ÊÊcÊÊaÊ BÊÊc) c) Elemento neutro: aÊÊ(0,0)ÊÊa d) Elemento opuesto: aÊÊ(a)ÊÊ e) Conmutativa: AÊÊBÊÊbÊÊa Si tiene las propiedades anteriormente citadas, decimos que es un grupo abeliano o conmutativo (V,⫹). Multiplicación de un vector por un número real El producto de un número real por un vector siempre es otro vector. Sus características son las siguientes: kÊ•ÊUÊÊKU { Magnitud: KUÊÊ kÊ•ÊÊUÊ Dirección: igual que el vector U Sentido: { k ⬎ 0 ⫽ el mismo que el vector U k ⬍ 0 ⫽ sentido contrario El cálculo de la multiplicación de un número real por un vector se realiza de la siguiente forma: U (a, b) K • U (K • a, K • b) Propiedades de la multiplicación a) Distributiva entre un número real y dos vectores: k • (U V) k • U k • V b) Distributiva entre dos números reales y un vector: (k b) • U k • U b • U c) Asociativa entre dos números reales y un vector: (k • b) • V k • (b • V) d) Elemento neutro: 1 • V V Se dice que el conjunto de los vectores, junto con las propiedades de suma y multiplicación (V,⫹, R), tiene estructura de espacio vectorial. E0319-Apéndice.indd Sec1:295 6/30/06 8:11:14 AM Combinación lineal Llamamos combinación lineal de dos o más vectores al vector que se obtiene de sumar dichos vectores multiplicados por sendos escalares. b•v k•U w 7 es la combinación lineal de 5 Y 6 SI 7ÊÊKÊ•Ê5ÊÊBÊ•Ê6 • Si K5Ê B6ÊÊ se podría deber a dos causas: 1. Son linealmente dependientes o colineales si: k ⫽ 0 y b ⫽ 0 (sus escalares son diferentes a 0). Tienen sentido opuesto, pero la misma dirección y magnitud. Sus componentes son proporcionales. 2. Son linealmente independientes si: k ⫽ 0 y b ⫽ 0 (sus escalares son iguales a 0) Tienen dirección distinta. Sus componentes no son proporcionales. Familia vectorial Varios vectores de un mismo espacio vectorial constituyen una familia. R2 { (3,5) (5,4) } ⫽ Familia Puede ser de dos tipos: Libre. Los vectores que forman la familia son linealmente independientes. Ligada. Los vectores que forman la familia son linealmente dependientes. Tres vectores son linealmente dependientes si uno de ellos se puede expresar como combinación lineal de los otros: 6ECTORES 7ÊÊ8ÊÊ9 7ÊÊA8ÊÊ"Y Dos vectores tienen infinitas combinaciones lineales. Vector unitario: es el vector cuya magnitud es la unidad. E0319-Apéndice.indd Sec1:296 6/30/06 8:11:31 AM Base de un espacio vectorial Siendo la base: ÊOu, vP diremos que es base de R2 si cumple las propiedades siguientes: • u y v son linealmente independientes. • B es un sistema generador. Sistema generador. Para cualquier vector que pertenezca a R2, pero que no pertenezca a la base, se puede expresar como combinación lineal de los elementos de la base. Tipos de bases • Si los vectores son perpendiculares y unitarios, a la base se le llamará ortonormal. Ê£ Si los vectores que forman la base son unitarios y no son perpendiculares entre sí, se les llamará normales. Ê£ • Si los vectores que forman la base no son unitarios y son perpendiculares entre sí, se les llamará ortogonales. Êu • Si no son perpendiculares ni unitarios, serán bases. Êu Sistema de referencia Ejes. Rectas que contienen a los vectores de la base. Cualquier vector de R2 se podrá expresar como combinación lineal de los elementos de la base. XÊ AVÊÊBU A los números reales que multiplican a los vectores de la base se les llama coordenadas del vector x respecto de su base. En este caso serían las coordenadas del vector x, a y b. E0319-Apéndice.indd Sec1:297 6/30/06 8:11:34 AM Producto escalar de los vectores El producto de dos vectores es un número real que se obtiene al multiplicar las magnitudes de los vectores por el coseno del ángulo que forman dichos vectores. UÊ•ÊVÊÊÊUÊÊ•ÊÊVÊÊ•ÊÊ ÃÊÊU VÊÊÊÊUÊÊ•ÊÊVÊÊ• ÃÊA Significado geométrico del producto escalar > L « *ÀÞÀ0ÊÊ0 * *ÀÞÀ!"ÊÊA B > À L À *ÀÞÀ!"Ê ` *ÀÞÀ#$ÊÊC D V ` À UÊ•ÊVÊÊÊUÊÊ•ÊÊVÊÊ•Ê ÃÊA ÊÊUÊÊIÊ0ROYU6 Demostración: Cos α ⫽ OC兾OB (Mirar figura) OC ⫽ OB • Cos α OC ⫽ ProyuV Û A Õ /!Ê•Ê/"Ê•ÊVÃÊAÊÊ/!Ê•Ê/#ÊÊ/!Ê•Ê0ROYUVÊ uÊÊIÊProyuV Definición El producto escalar de dos vectores es un número real que se obtiene de multiplicar la magnitud de uno de los dos vectores por la proyección del otro sobre él. Propiedades del producto escalar • Si el producto escalar es igual a 0 puede ser por dos motivos. a) Uno de los dos es el vector nulo: vÊÊ(0, 0)ÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊÊuÊÊ(0, 0). b) Los vectores son distintos del vector nulo si forman un ángulo de 90º: uÊÊ•ÊÊvÊÊ•Ê ÃÊäcÊÊä°Ê • Conmutativa: uÊÊ•ÊÊvÊÊÊvÊÊ•ÊÊu.Ê • Asociativa entre un número real y dos vectores: ­Iu®IrÊÊÊI­uIv®°Ê • Distributiva del producto respecto de la suma: uI­vw®ÊÊuvÊÊvw° E0319-Apéndice.indd Sec1:298 6/30/06 8:11:38 AM Normalización de un vector ZÊÊÊÊÊZn Igual dirección, sentido y magnitud que la unidad. ZnÊÊÊ£Ê Vector cuya magnitud es la unidad. El cálculo para normalizar un vector es el siguiente: Zn = Zn Z Expresión analítica del producto escalar Cuando los vectores vienen expresados en función de su base. Caso general Sistema de referencia que no es ortonormal. °ÊÊ­"]ÊÕ]ÊÛ® Los vectores ÝÊÞÊÞ están en función de su base: ÝÊÊ>£ÕÊÊL£ÛÊÊÞÊÊÞÊÊ>ÓÕÊÊLÓÛÊÊ XÊ•ÊYÊÊ­>£ÕÊÊL£Û®Ê•Ê­>ÓÕÊÊLÓÛ®ÊÊ>£>ÓÕÓÊÊ>£LÓÊÕÊÛÊ L£>ÓÊÛÊÕÊ L£LÓÛÓ Caso particular Sistema de referencia ortonormal. °ÊÊ­"]ÊÊ]ÊÊ® El producto escalar de dos vectores en función de sus componentes es igual a un número real que se obtiene de multiplicar el primer componente del primer vector por el primer componente del segundo vector, más el segundo componente del primer vector por el segundo componente del segundo vector. XÊ•ÊYÊÊ­A£ÊÊÊB£Ê®Ê•Ê­AÓÊÊÊBÓÊÊ®ÊÊA£AÓÊÊ•ÊÊÊA£BÓÊÊ•ÊÊÊÊ B£AÓÊÊÊ•ÊÊ B£BÓÊÊÊ•ÊÊ A£AÓÊÊ•ÊÊ B£BÓÊÊÊ•ÊÊÊA£AÓÊ B£BÓ Por lo tanto: xÊ•ÊyÊÊa£aÓÊÊb£bÓ Calcular la magnitud Cualquier vector multiplicado consigo mismo es igual al cuadrado de su magnitud. XÊ•ÊXÊÊÊXÊÓ E0319-Apéndice.indd Sec1:299 6/30/06 8:11:57 AM Magnitud XÊÓÊÊ­>UÊÊLV®ÓÊÊ>ÓÊÊUÊÊÓÊÊÓ>LÊUVÊÊLÓIÊÊVÊÊÓ XÊÊÊD>ÓIÊÊUÊÊÓÊÊÓ>LÊUVÊÊLÓIÊÊVÊÊÓ Caso particular Si la base es ortonormal, las magnitudes se calculan de la siguiente forma: Sea ÊOÊ]ÊÊÊP base de R2 ÝÊÊÊ>ÊÊÊLÊÊÊ­>]ÊL®. En este caso, su magnitud es la raíz cuadrada del primer componente del vector al cuadrado por el segundo componente del vector al cuadrado. ÝÊÊ E0319-Apéndice.indd Sec1:300 a2 b2 6/30/06 8:12:26 AM