Capítulo 2: LOS ELEMENTOS QUÍMICOS. Elementos y compuestos químicos

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1 Capítulo 2: LOS ELEMENTOS QUÍMICOS Elementos y compuestos químicos Como ya vimos las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos. Un elemento químico es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos. A la fecha se han identificado definitivamente 112 elementos. Los elementos químicos son sustancias simples que no pueden descomponerse por métodos químicos ordinarios en algo más sencillo, como en el caso del hidrogeno, azufre, sodio, etc. En cambio, los compuestos químicos están formados por la unión química de dos o más elementos en porciones definidas y constantes, combinándose de tal manera que ya no es posible identificar a los elementos por sus propiedades originales e individuales y solo mediante una reacción química se pueden separar. Algunos ejemplos de compuestos son el cloruro de sodio (sal de mesa), el oxido de calcio (cal), la sacarosa (azúcar), etcétera. Muchos de los elementos tomaron nombres de planetas, lugares geográficos, figuras mitológicas, etc. y existen símbolos químicos que identifican a los elementos y que son abreviaturas. Los elementos se representan mediante símbolos que son combinaciones de letras. Un símbolo químico puede estar formado por una, dos y muy rara vez tres letras. La primera es siempre mayúscula, pero la segunda y la tercera son siempre minúsculas. Algunos ejemplos: Nombres de elementos en honor a planetas y asteroides: Mercurio, su nombre se debe al planeta del mismo nombre, pero su abreviatura es Hg. Uranio (U): del planeta Urano. Neptunio (Np): del planeta Neptuno. Plutonio (Pu): del planeta Plutón. Cerio (Ce): por el asteroide Ceres, descubierto dos años antes. ( Sabías que el cerio metálico se encuentra principalmente en una aleación de hierro que se utiliza en las piedras de los encendedores?). Titanio(Ti): de los Titanes, los primeros hijos de la Tierra según la mitología griega. Nombres de lugares y similares: Magnesio (Mg): de Magnesia, comarca de Tesalia (Grecia). Scandio (Sc) Scandia, Escandinavia Cobre (Cu): cuprum, de la isla de Chipre. Galio (Ga): de Gallia, Francia. Germanio(Ge): de Germania, Alemania. Selenio (Se):de Selene, la Luna. Polonio (Po): de Polonia, en honor de Marie Curie (polaca) codescubridora del elemento junto con su marido Pierre. Nombres que hacen referencia a propiedades: Berilio (Be) de beriio, esmeralda de color verde. Hidrógneno (H): engendrador de agua. Nitrógeno (N). engendrador de nitratos (nitrum) Oxígeno (O): formador de ácidos (oxys) Cloro (Cl) del griego chloros (amarilio verdoso). Argón (Ar) argos, inactivo. ( los gases nobles son poco reactivos). Cromo (Cr): del griego chroma, color. Manganeso (Mg): de magnes, magnético. Bromo (Br): del griego bromos, hedor, peste. Zinc (Zn): del aleman zink, que significa origen oscuro. Oro (Au): de aurum, aurora resplandeciente. 1

2 Nombre que hacen referencia a la mitología: Vanadio (V): Vanadis, diosa Escandinava. Paladio (Pd): Pallas, diosa de la sabiduria. Prometio (Pm): de Prometeo, personaje mitológico. Nombres de científicos: Curio (Cm): en honor de Pierre y Marie Curie. Einstenio (Es): en honor de Albert Einstein. Mendelevio (Md): En honor al químico ruso Dmitri Ivánovich Mendeléiev precursor de la actual tabla periódica. Nobelio (No): en honor de Alfred Nobel. Unnilquadium (Unq): Unnilquadium significa 104 (su número atómico) en latín. Los soviéticos propusieron el nombre de Kurchatovium (Ku) en honor de Igor V. Kurchatov, mientras que los estadounidenses preferían el nombre de Rutherfordium (Rf) en honor de Ernest Rutherford. La IUPAC le asignó este nombre temporal en Otros: Helio (He): de la atmostera del sol (helios, se descubrió por primera vez en el espectro de la corona solar durante un eclipse en 1868, aunque la mayoría de los científicos no lo aceptaron hasta que se aisló en la tierra). Litio (Li): de lithos, roca. Carbono (C): carbón. Silicio (Si): de silex, sílice. Fósforo (P) de phosphoros, portador de luz (el fosforo emite luz en la obscuridad porque arde al combinarse lentamente con el oxígeno del aire). Calcio (Ca) de calx, caliza. (La caliza está formada por Ca 2 CO 3 ). A medida que se fueron descubriendo más y más elementos químicos, fue necesario organizarlos con algún tipo de sistema de clasificación. A finales del siglo XIX, los científicos reconocieron que ciertos elementos se parecían y comportaban en forma muy similar. En 1872, un químico ruso, D. Mendeleiev, ordenó 60 elementos conocidos en la época, en grupos con propiedades similares y los colocó en orden de masa atómica creciente. Actualmente, este ordenamiento de más de 110 elementos basado en el número atómico creciente se conoce como tabla periódica. La tabla periódica ofrece una gran cantidad de información acerca de los elementos. En 1869, el químico ruso Dmitri Mendeleiev publicó su trabajo sobre el ordenamiento de los elementos químicos y propuso una ley periódica: Las propiedades de los elementos son funciones periódica de sus masa atómicas. A pesar de la importancia del trabajo realizado por Mendeleiv, su tabla periódica no era perfecta. Al ubicar los elementos en orden de masas crecientes varios quedaban fuera de lugar en cuanto a sus propiedades. Cincuenta años después, se determinaron los números atómicos, lo que condujo a un nuevo ordenamiento. Se comprobó que, al ubicar los elementos en orden creciente de sus números atómicos, estos quedaban ordenados, sin excepción, en función de sus propiedades químicas y físicas. Las propiedades de los átomos son funciones periódicas de los números atómicos (Moseley 1913). Esto significa que se repiten propiedades similares entre elementos, lo cual está relacionado con la distribución de electrones dentro de los átomos. La Tabla Periódica (TP) moderna esta ordenada en 18 columnas ó grupos y en 7 secuencias horizontales llamados períodos, numerados del 1 al 7. Los grupos poseen elementos que se parecen químicamente. De los 112 elementos (conocidos hasta 1998), aproximadamente 90 son naturales, los demás artificiales. La TP presenta cuatro zonas de acuerdo a las propiedades de los elementos: metales, no metales, metaloides (zona de trazo grueso) y gases nobles. La TP se puede dividir en tres partes fundamentales de acuerdo a la configuración electrónica de los elementos: 2

3 1) ELEMENTOS REPRESENTATIVOS: son aquellos que presentan el último nivel incompleto. El número de grupo corresponde al número de electrones de la capa de valencia, capa externa, que son los que intervienen en las combinaciones químicas. Comprende los grupos IA, IIA, IIIA, IVA, VA, VIA, y VIIA. Algunos son metales y otros no metales. 2) ELEMENTOS DE TRANSICION: Comprende los grupos IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB,IIB. La mayoría son metales. 3) ELEMENTOS DE TRANSICIÓN INTERNA.: son los comprendidos entre el Ce y Lu y se denominan Lantánidos o Tierras Raras. Desde el Th al Lw se denominan Transuránidos o Actínidos El carácter metálico de los elementos aumenta hacia la izquierda y hacia abajo. El carácter no metálico aumenta hacia la derecha y hacia arriba. Los gases nobles (raros o inertes) están ubicados en el último grupo (VIIIA). Tienen el último nivel completo. Actualmente se utiliza una TP de 18 grupos que elimina la confusión provocada por la división de grupos A y B. La cifra final del grupo coincide con el número clásico. Ej: el grupo 12 corresponde al IIB de Mendeleiev y el 16 al VIA. El ordenamiento de grupos y períodos permite establecer propiedades periódicas tanto verticales como horizontales, incluso en diagonal La partícula más pequeña de una sustancia se denomina molécula, que mantiene las propiedades químicas específicas de esa sustancia. Las moléculas de las sustancias están constituidas por átomos de los elementos que las forman. Se dice que una molécula es monoatómica cuando está compuesta por un átomo, diatómica si posee dos y poliatómica si tiene gran número de átomos. Las moléculas pueden estar formadas por átomos iguales o diferentes. Además, puede haber uno o más átomos de cada elemento en la formación de las diferentes moléculas. Las moléculas de oxígeno presente en el aire, por ejemplo posee dos átomos de ese elemento mientras que la molécula de agua, sólo hay un átomo de oxígeno. O2 oxígeno H2O agua 3

4 Se tiene conocimiento de que en el siglo V A. C. los filósofos griegos Leucipo y Democrito pensaban que la materia estaba formada por átomos, palabra de origen griego que significa «indivisible». Actualmente se ha comprobado que el átomo no es indivisible, ya que está constituido por otras partículas subatómicas; sin embargo, la palabra átomo se sigue empleando y definiéndose como: la partícula más pequeña de un elemento que puede participar en una reacción química. Según Dalton, un átomo puede definirse como la unidad básica de un elemento que puede entrar en combinación química. Dalton imaginó un átomo como una pequeña partícula extremadamente pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones que empezaron en la década de 1850 y se extendieron hasta el siglo XX demostraron claramente que los átomos en realidad poseen estructura interna; es decir están formados por partículas más pequeñas, llamadas partículas subatómicas. La investigación condujo al descubrimiento de tres de esas partículas: electrones, protones y neutrones. A principios de 1900, dos hechos relativos a los átomos habían quedado claros: son eléctricamente neutros y contienen electrones. Dado que los átomos son neutros, cada uno deberá tener igual número de cargas positivas y negativas, para mantener la neutralidad eléctrica. El conocimiento de la naturaleza y la forma en que funcionan es fundamental para comprender las interacciones químicas. Partículas fundamentales de la materia: Electrón: masa 0,00055 uma = 9, g carga 1- Protón: masa 1,0073 uma = 1, g carga 1+ Neutrón: masa 1,0073 uma = 1, g carga ninguna La masa de un electrón es muy pequeña en comparación con la del protón o neutrón. La carga del protón es de magnitud igual pero de signo opuesto a la carga del electrón. uma: unidad de masa atómica y es una unidad de masa empleada en física y química, especialmente en la medida de masas atómicas y moleculares. Equivale a la doceava (1/12) parte de la masa de un átomo de carbono 12 1 uma = kg 1 g uma Los primeros modelos del átomo fueron concebidos por J.J.Thomson, seguido por Ernest Rutherford, quien propuso el siguiente modelo: a) los átomos están formados por un núcleo (mucho más pequeño que el átomo), con carga eléctrica positiva, rodeado por un sistema de electrones que tienen la misma cantidad de carga eléctrica, pero negativa, de modo tal que la carga total es nula. El núcleo y los electrones permanecen atraídos (pero no unidos) entre si, precisamente porque tienen cargas opuestas. Entre ellos hay solo un gran espacio vacío, y los electrones se mueven continuamente alrededor del núcleo, a cierta distancia de él. b) El núcleo es muy pequeño con relación al tamaño del átomo, pero concentra casi toda la masa del mismo. c) La masa de las cargas positivas (protones) es aproximadamente igual a la mitad de la masa del átomo. 4

5 Este modelo sin embargo, no explica cómo se mueven los electrones alrededor del núcleo. A fin de explicar la estabilidad del átomo se sugirió posteriormente que los electrones debían girar alrededor del núcleo (modelo planetario). En 1913 el físico danés Niels Bohr ( ) propuso un modelo destinado a explicar ciertos resultados de trabajos experimentales; por ej., la absorción y la emisión de luz por los átomos. Según su planteo, los electrones se mueven alrededor del núcleo como planetas alrededor del sol. Postuló también que, en cada órbita, los electrones se mueven manteniendo un nivel de energía constante y distinta de otras órbitas. La interpretación de Bohr puede resumirse de la siguiente manera: a) Los electrones pueden girar en órbitas determinadas sin perder energía. b) En estos niveles permitidos o definidos de energía los electrones no absorben ni emiten energía; por eso se los denomina niveles estacionarios. Los niveles de energía se encuentran definidos por ciertos números naturales. A cada uno se lo llama número cuántico principal, (n). Los valores de n pueden ser: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 que corresponden a las capas electrónicas llamadas K, L, M, N, O, P y Q respectivamente. El número máximo de electrones que puede haber en cada nivel principal es n 2.2. Los gases nobles o inertes presentan su órbita externa completa con 2 ú 8 electrones: el He satura su órbita con dos electrones y los demás con ocho (tienen el octeto completo). En la siguiente tabla se representa el número máximo de electrones que posee cada nivel energético: número cuántico principal n Denominación del nivel o capa energética K L M N Número máximo de electrones que posee el nivel ( n 2.2) 1 2.2= = = = 32 5

6 Por ejemplo: Primera capa (n = 1). Nº máximo de electrones= 2 Segunda capa (n = 2). Nº máximo de electrones= 8 Tercera capa n = 3. Solamente tiene un electrón, aún podría alojar otros 17. La última capa, o capa más externa, recibe el nombre de capa de valencia y los electrones situados en ella electrones de valencia. En este átomo la capa de valencia es la tercera y tiene un solo electrón de valencia Aparte cada nivel energético está subdivido en subniveles que a su vez se subdividen en orbitales. Cada orbital puede alojar hasta dos electrones. Los elementos representativos ubicados en un mismo grupo tienen igual número de electrones en el último nivel, es decir el mismo número de electrones de valencia. Los elementos ubicados en un mismo período se caracterizan por tener tantos niveles energéticos como el número del período. Número atómico (Z) Indica la cantidad de protones presentes en un átomo y se representa con la letra Z. Como todo átomo es neutro desde el punto de vista eléctrico, Z indica también el número de electrones. Por ej. : Z = 17 (cloro) La identidad química de un átomo se puede determinar a partir de su número atómico. Por ej.: el número atómico del cloro, Cl, es 17; esto significa que cada átomo neutro de cloro tiene 17 protones y 17 electrones. Es decir cada átomo en el universo que contenga 17 protones se llama correctamente cloro. 6

7 Número de neutrones (N) Los neutrones son partículas subatómicas que se encuentran en el núcleo atómico. El número de neutrones se indica con N. Por ej. : N = 18 (cloro) Número másico (A) Es un número entero igual a la suma del número de protones y el de neutrones presentes en el núcleo. Se representa con A. A excepción del hidrógeno en su forma más común, que tiene un protón y ningún neutrón, todos los núcleos atómicos, contienen ambos, protones y neutrones. Por ej. : A = 35 (cloro) su valor es aproximadamente igual a la masa atómica redondeada a un número entero(sin coma). La relación entre A, Z y N es: A = Z + N N = A Z Dónde se obtienen los datos del número atómico y número másico de cada elemento? La información de cada elemento químico se encuentra recopilada en la tabla periódica. En la tabla periódica los elementos químicos se encuentran ordenados por su número atómico, es decir que a partir de este dato podemos saber la cantidad de electrones y protones que posee cada átomo de cada elemento. El número másico no es un dato que proporcione la tabla, pero se obtiene redondeando a un número entero el valor de la masa atómica del elemento. Retomando el ejemplo del cloro, a partir de la tabla obtenemos los siguientes datos: Símbolo: Cl Número atómico: 17 Masa atómica: 35,453 Número másico: 35 Sabiendo que A = 35 y Z = 17, podemos graficar la estructura electrónica del átomo de cloro Z = 17 significa que el átomo posee 17 electrones. Se distribuirán del siguiente modo: 2 en la primera capa (K), 8 en la segunda (L), y 7 en la tercera (M). A partir de Z, sabemos que el claror posee 17 protones y que obtenemos el número de neutrones restando A-Z, es decir 35-17= 18 7

8 Isótopos La observación y análisis de las características de muchos elementos ha llevado a la conclusión de que algunos átomos del mismo elemento tienen diferente número de neutrones y, por ello, diferente número másico. Los isótopos son utilizados para múltiples funciones tales como: medida de caudales, prospecciones mineras, control de contaminación de aguas, elaboración de radiofármacos, estudios y análisis citológicos, investigación bioquímica, radiodiagnosis, tratamiento del cáncer, y otros muchos usos. Son átomos de un mismo elemento que presentan el mismo número atómico pero distinto número másico; por lo tanto se diferencian en el número de neutrones. Por ej. : El cloro presenta dos isótopos naturales Cl Cl Ambos contienen 17 protones, pero el primero contiene 18 neutrones y el segundo 20. La forma aceptada para anotar el número atómico y el número de masa de un átomo de un elemento X es la que sigue: número másico A número atómico Z X Los dos isótopos tienen propiedades químicas idénticas, es decir que el número de neutrones no afecta el comportamiento químico. Otro ejemplo muy común es el del hidrógeno, existen tres tipos de átomos, que difieren entre sí sólo en su número de neutrones. Ellos son: H H H hidrógeno deuterio tritio Noción de ión Un átomo o grupo de átomos que tiene una carga eléctrica positiva o negativa se denomina ión. Cuando un átomo o grupo de átomos tiene carga positiva se llama catión y cuando tiene carga negativa se llama anión. Un átomo neutro se transforma en catión cuando pierde electrones. Su carga es positiva porque tiene menos electrones que protones. Ejemplo: Átomo de sodio Na : tiene 11 protones y 11 electrones, es eléctricamente neutro 8

9 Ión sodio o catión sodio Na + : tiene 11 protones y 10 electrones por lo cual tiene una carga positiva Átomo de azufre S tiene 16 protones y 16 electrones, es eléctricamente neutro Ión azufre o anión azufre (sulfuro) S -2 : tiene 16 protones y 18 electrones por lo cual tiene dos cargas negativas El mol Cuando vas a comprar huevos, lo haces por docena y sabes que te darán doce. En una oficina el papel que se usa se compra por resmas y sabes que cada resma contiene 500 hojas. En química, las partículas como átomos, moléculas e iones se cuentan por mol. El mol se define como la cantidad de sustancia que contiene 6, partículas. Este número tan grande se llama número de Avogadro, en honor a un físico italiano. Un mol de un elemento siempre tiene un número de Avogadro de átomos, un mol de un compuesto contiene un número de Avogadro de moléculas o de unidades fórmula. Un mol de CO 2 contiene: 6, moléculas de CO2 6, átomos de C 2 x 6, átomos de O 9

10 Masa molar Para cualquier elemento, la masa molar es la cantidad en gramos igual a la masa atómica de dicho elemento. Por ejemplo, si necesitamos 1 mol de átomos de C, primero encontramos la masa atómica del C en la tabla periódica, que es 12,01, entonces para obtener 1 mol de átomos de C debemos pesar 12,01 g. Por lo expuesto vemos que la masa molar de un elemento es numéricamente igual a la masa atómica pero expresada en gramos y la podemos obtener de la tabla periódica. Para determinar la masa molar de un compuesto, se multiplica la masa molar de cada elemento por su subíndice en la fórmula y se suman los resultados. La masa molar del trióxido de azufre SO 3 se obtiene de sumar la masa molar de 1 mol de átomos de azufre y la masa molar de 3 moles de átomos de oxígeno. Masa molar del SO 3 = 32,07 g S + 48,00 g O = 80,07 g TRABAJO PRÁCTICO Nº:2 1. Dado el siguiente esquema de la Tabla Periódica en forma genérica, en la que las letras no representan los símbolos de los elementos, encuadra la letra V si la proposición es verdadera y la F si es falsa: a. A y B son elementos no metálicos V F b. N y E son elementos metálicos V F c. Z pertenece al quinto período V F d. C es un elemento del segundo grupo V F e. Los elementos A, D, E, F y G pertenecen al primer período V F f. B posee tres electrones V-F 2. Situarse en el período 3 de la Tabla Periódica y avanzar por él de izquierda a derecha Qué diferencia hay en el número de protones y electrones entre un elemento y el siguiente? 3. Une con flechas: Metales No metales Gases nobles o inertes tienden a ganar electrones son electropositivos tienden a ceder electrones no reaccionan son electronegativos 10

11 4. El estroncio es un elemento que da color rojo brillante a los fuegos artificiales. a. En qué grupo se encuentra? b. Cuál es el nombre de esta familia química? c. Para el mismo grupo, qué elemento está en el período 3? d. Qué metal alcalino, halógeno y gas noble están en el mismo período que el estroncio? 5. En cada ítem, identifica la partícula subatómica que tenga la característica mencionada: a. no tiene carga b. se ubica fuera del núcleo c. tiene una masa aproximadamente igual a la de un neutrón d. tiene la masa más pequeña 6. En qué parte del átomo se encuentra concentrada la mayor parte de la masa? 7. Entre qué pares de elementos existirá mayor analogía química? Por qué? Na y Cu Na y Mg Na y Cl Na y K 8. Grafica la estructura atómica de los siguientes elementos: a. Aluminio b. Hidrógeno c. Bromo 9. Completa la siguiente tabla: 11

12 Fe Br Elemento A Z P + (protones) e - (electrones) n (neutrones) K Indica y justifica cuales de los siguientes pares de elementos son isótopos: a. C C b. K Ca Responder Verdadero ó Falso justificando: a. Los elementos pertenecientes al Grupo VIA (16) poseen 6 electrones de valencia. b. El Na y el Si tienen el mismo número de niveles de energía. c. Los elementos pertenecientes al grupo VIIA (17) tienen tendencia a formar cationes. d. La cantidad de electrones del catión que usualmente forma el elemento magnesio es (Ne). e. Los núcleos de los átomos, excepto el hidrógeno, están constituidos por: neutrones y protones 12. Completa la siguiente tabla : Ión Nº protones Nº electrones Tipo de ión Mg Analiza la siguiente situación: a. Qué tipo de ión forma el Litio? Compara dicho ión con la estructura del gas noble más cercano. b. Por qué el Berilio le dice que hay que ser positivo? 12

13 14. Cuántos moles de agua tiene el cuerpo humano, si su peso promedio es de 56 kg y las ¾ de su masa es agua? Cuántas moléculas son? 15. A partir de un mol de moléculas de aspirina: C 9 H 8 O 4 : a. cuántos átomos y moles de átomos de C hay presentes? b. cuántos átomos y moles de átomos de H hay presentes? c. cuántos átomos y moles de átomos de O hay presentes? 16. Cada comprimido de Bayaspirina contiene: ácido acetilsalicílico o aspirina 500mg en un excipiente de almidón de maíz y celulosa polvo. Calcula cuántos moléculas y cuántos moles de moléculas hay en un comprimido 13