Compuesto químico
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Agua, el compuesto químico más común en la naturaleza.
En química, un compuesto es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica, en una razón fija. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por hidrógeno y oxígeno en la razón de 2 a 1 (en número de átomos).
En general, esta razón fija es debida a una propiedad intrínseca. Un compuesto está formado por moléculas o iones con enlaces estables y no obedece a una selección humana arbitraria. Por este motivo el bronce o el chocolate son denominadas mezclas o aleaciones, pero no, compuestos.
Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos físicos (decantación, filtración, destilación, etcétera), sino sólo mediante procesos químicos.
Contenido
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• 1 Naturaleza de los compuestos químicos
o 1.1 Enlaces
o 1.2 Comparación entre mezclas y compuestos
• 2 Fórmula
• 3 Clasificación
• 4 Enlaces externos
• 5 Véase también
Naturaleza de los compuestos químicos [editar]
Enlaces [editar]
Artículo principal: Enlace químico
Los átomos en la molécula no pueden permanecer unidos sin enlaces. Existen dos tipos de enlaces: el uno el covalente entre átomos, un ejemplo es el agua que esta unido mediante un enlace covalente polar; y el enlace iónico es entre iones, como por ejemplo el cloruro de sodio.
Hay algunas excepciones representado por H2, es homonuclear, esto es, tiene átomos de un solo elemento.
Comparación entre mezclas y compuestos [editar]
Los compuestos tienen diferentes propiedades físicas y químicas que las de sus elementos constituyentes. Éste es uno de los criterios principales para distinguir un compuesto de una mezcla, son generalmente similares a las propiedades de sus constituyentes, o están relacionadas. Una mezcla tiene una composición variable, un compuesto tiene una composición fija. Una mezcla es una unión física de sustancias, un compuesto es una unión de elementos mediante una reacción química.
Fórmula [editar]
Artículo principal: Fórmula química
Los químicos describen los compuestos usando los símbolos químicos de los átomos enlazados. El orden de éstos en los compuestos inorgánicos va desde el más electronegativo a la derecha. Por ejemplo en el NaCl, el cloro que es más electronegativo que el sodio va en la parte derecha. Para los compuestos orgánicos existen otras varias reglas.
Clasificación [editar]
Los principales compuestos químicos que existen en la actualidad son:
• Óxidos básicos, que están formados por un metal y oxígeno.ejemplos, el óxido plúmbico,óxido de litio,.
• Óxidos ácidos, formados por un no metal y oxígeno. ejemplos, óxido hipocloroso,óxido selenioso,.
• Hidruros, que pueden ser tanto metálicos como no metálicos. Están compuestos por un elemento e hidrógeno.ejemplos, hidruro de aluminio, hidruro de sodio,.
• Hidrácidos, son hidruros no metálicos que, cuando se disuelven en agua, adquieren carácter ácido. Por ejemplo, el ácido iodhídrico,.
• Hidróxidos, compuestos formados por la reacción entre un óxido básico y el agua, que se caracterizan por presentar el grupo oxidrilo (OH). Por ejemplo, el hidróxido de sodio, o sosa cáustica.
• Oxoácidos, compuestos obtenidos por la reacción de un óxido ácido y agua. Sus moléculas están formadas por hidrógeno, un no metal y oxígeno. Por ejemplo, ácido clórico.
• Sales binarias, compuestos formados por un hidrácido más un hidróxido. Por ejemplo, el cloruro de sodio.
• Oxisales, formadas por la reacción de un oxoácido y un hidróxido, como por ejemplo el hipoclorito de sodio.
Enlaces externos [editar]
• Enlace que explica como es el lenguaje químico [1]
• Como se clasificaron los elementos y como se unen los compuestos [2]
• Sobre los compuestos químicos orgánicos [3]
Compuestos químicos
IMPORTANCIA SOCIOECONÓMICA DE LOS ELEMENTOS:
• NaCl o Sal. También llamado cloruro de sodio, compuesto químico de fórmula NaCl. El término sal también se aplica a las sustancias producidas en la reacción de un ácido con una base, llamada reacción de neutralización. Las sales se caracterizan por sus enlaces iónicos, lo que da lugar a puntos de fusión relativamente altos, conductividad eléctrica en disolución o fundidas y estructura cristalina en estado sólido.
El uso más común de la sal es la salazón. La sal es un componente esencial de la dieta de los seres humanos y de otros animales de sangre caliente. Algunas personas restringen su consumo directo de sal, pero obtienen las cantidades necesarias comiendo carne y pescados que la contienen. La sal de mesa común destinada al consumo en zonas continentales alejadas del mar suele contener pequeñas cantidades de yodo para prevenir el bocio. Los animales salvajes a menudo se congregan en torno a corrientes saladas o en superficies con incrustaciones de sal para lamer los depósitos de sal.
Industrialmente la sal es la fuente de obtención del cloro y del sodio, así como de sus respectivos compuestos. Entre los compuestos del cloro de relevancia comercial se encuentran el ácido clorhídrico, el cloroformo, el tetracloruro de carbono y el polvo de blanquear. Entre los compuestos de sodio más importantes se encuentra el carbonato de sodio, el sulfato de sodio, el bicarbonato de sodio, el fosfato de sodio y el hidróxido de sodio. La sal se emplea también para preservar carnes y pescados, y en ciertos métodos de refrigeración para preparar mezclas frigoríficas, así como en los procesos de teñido y para fabricar jabón y vidrio. Al ser transparentes a los rayos infrarrojos, los cristales de sal se utilizan para hacer los prismas y lentes de instrumentos empleados en el estudio de estos rayos.
• H2SO4 o Ácido sulfúrico. Es un líquido corrosivo, de gran viscosidad, incoloro y con una densidad relativa de 1,85. Tiene un punto de fusión de 10,36 °C, un punto de ebullición de 340 °C y es soluble en agua en cualquier proporción. Al mezclar ácido sulfúrico con agua se libera una considerable cantidad de calor.
El ácido sulfúrico concentrado, llamado antiguamente aceite de vitriolo, es un importante agente desecante. Actúa tan vigorosamente en este aspecto que extrae el agua, y por lo tanto carboniza, la madera, el algodón, el azúcar y el papel. Debido a estas propiedades desecantes, se usa para fabricar éter, nitroglicerina y tintes. Cuando se calienta, el ácido sulfúrico concentrado se comporta como un agente oxidante capaz, por ejemplo, de disolver metales tan poco reactivos como el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dióxido de azufre y agua.
Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, la producción anual de ácido sulfúrico en Estados Unidos, el mayor productor, sobrepasaba los 29 millones de toneladas, que corresponden a una producción diaria de 1/3 kg por persona al año. El ácido sulfúrico se utiliza principalmente para hacer fertilizantes, tanto superfosfato como sulfato de amonio. También se usa para fabricar productos orgánicos, pinturas y pigmentos, y rayón, así como para refinar petróleo y procesar metales. Uno de los pocos productos de consumo que contienen ácido sulfúrico como tal, es la batería de plomo, que se utiliza en los automóviles.
• NH3 o Amoníaco. Gas de olor picante, incoloro, muy soluble en agua. Una disolución acuosa saturada contiene un 45% en peso de amoníaco a 0 °C, y un 30% a temperatura ambiente. Disuelto en agua, el amoníaco se convierte en hidróxido de amonio, NH4OH, de marcado carácter básico y similar en su comportamiento químico a los hidróxidos de los metales alcalinos.
En el siglo XIX, la principal fuente de amoníaco fue la destilación de la hulla; era un derivado importante en la fabricación de los combustibles gaseosos. Hoy, la mayoría del amoníaco se produce sintéticamente a partir de hidrógeno y nitrógeno por el proceso de Haber-Bosch. El amoníaco es un refrigerante importante y se usa mucho en la industria química, especialmente en la fabricación de fertilizantes, ácido nítrico y explosivos.
IMPORTANCIA ECOLÓGICA DE LOS COMPUESTOS:
• Óxidos de Carbono:
CO2 o Dióxido de carbono. Gas incoloro, inodoro y con un ligero sabor ácido, cuya molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno.
El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: por combustión u oxidación de materiales que contienen carbono, como el carbón, la madera, el aceite o algunos alimentos; por la fermentación de azúcares, y por la descomposición de los carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos. Comercialmente el dióxido de carbono se recupera de los gases de hornos de calcinación, de los procesos de fermentación, de la reacción de los carbonatos con los ácidos, y de la reacción del vapor con el gas natural, una fase de la producción comercial de amoníaco. El dióxido de carbono se purifica disolviéndolo en un solución concentrada de carbonato alcalino y luego calentando la disolución con vapor. El gas se recoge y se comprime en cilindros de acero.
El dióxido de carbono se usa para fabricar carbonato de sodio, Na2CO3 • 1OH2O (sosa para lavar), e hidrogenocarbonato de sodio, NaHCO3 (bicarbonato de sodio). Disuelto bajo una presión de 2 a 5 atmósferas, el dióxido de carbono produce la efervescencia de las bebidas gaseosas. No arde ni sufre combustión, por lo que se emplea en extintores de fuego. El extintor de CO2 es un cilindro de acero lleno de dióxido de carbono líquido que, cuando se libera, se expande repentinamente y produce una bajada de temperatura tan enorme que se solidifica en "nieve" en polvo. Esta nieve se volatiliza (se evapora) al contacto con la sustancia en combustión, produciendo una capa de gas que enfría y mitiga la llama. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, se usa mucho como refrigerante. Su capacidad para enfriar es casi el doble que la del hielo del agua; sus ventajas son que no pasa a líquido sino que se convierte en un gas, produciendo una atmósfera inerte que reduce el crecimiento de las bacterias.
• CO o Monóxido de carbono. Compuesto químico de carbono y oxígeno. Es un gas incoloro e inodoro, un 3% más ligero que el aire, que resulta venenoso para los animales de sangre caliente y muchas otras formas de vida.
El monóxido de carbono es un importante combustible industrial y un componente del gas pobre, del gas de altos hornos y del gas de hulla. En la metalurgia del acero fundido, el monóxido de carbono formado a partir del coque, actúa como agente reductor, extrayendo el oxígeno del mineral. El monóxido de carbono se combina activamente con el cloro para formar cloruro de carbonilo o fosgeno, y calentado en presencia de un catalizador se combina con el hidrógeno formando metanol. La combinación directa del monóxido de carbono con ciertos metales, forma compuestos gaseosos, y se emplea para el refinado de dichos metales, especialmente el níquel.
o Óxidos de Nitrógeno:
De estos ya se conocen varios efectos sobre la salud, sobre todo del sistema respiratorio, se produce cuando se queman combustibles fósiles de automotores, plantas de poder, hornos y turbinas. Además debido a que la gente lleva a cabo la mayoría de sus actividades domesticas en interiores, esta fuertemente expuesta a este contaminante, donde la combustión por tabaco y gas LP son la principal fuente de contaminación.
Los óxidos de nitrógeno (NOx) son importantes contribuyentes potenciales de fenómenos nocivos como la lluvia ácida y la eutroficación en las zonas costeras. La eutroficación ocurre cuando un cuerpo de agua sufre un notable incremento de nutrientes como los nitratos reduciendo la cantidad de oxígeno disuelto, transformando el ambiente en un medio no viable para los seres vivientes.
o Óxidos de Azufre:
El desarrollo industrial, principalmente la metalurgia y el incremento continuo en la fabricación de automóviles de combustión interna generan contaminantes peligrosos para la vida como: óxidos de azufre que mediante otras reacciones químicas se trasforman en ácido sulfúrico, óxidos de nitrógeno que se transforma en ácido nítrico, además de aldehídos, ácido sulfhídrico, ácido fluorhídrico, arsénico y algunos derivados de metales como el plomo, el zinc, el mercurio, el cadmio y el cobre.
El SO2 es un gas que pertenece a la familia de los gases de óxidos de azufre (SOx), que se producen principalmente de la combustión de compuestos que contienen azufre -carbón y aceite- y durante ciertos procesos industriales y en la producción de acero. Este gas incoloro y con sabor ácido picante, es percibido por el olfato en concentraciones hasta de 3 ppm (0.003%) a 5 ppm (0.005%). Cuando se encuentra en niveles de 1 a 10 ppm induce al aumento de la frecuencia respiratoria y el pulso.
Cuando alcanza las 20 ppm produce una fuerte irritación en ojos, nariz, garganta, incrementa la crisis asmática y recrucede las alergias respiratorias. Si la concentración y el tiempo de exposición aumentan, se producen afecciones respiratorias severas. Una exposición a 400 - 500 ppm, aunque sea corta, puede resultar fatal para el organismo al producir y agravar ciertos padecimientos cardiovasculares.
• SO2 o Dióxido de Azufre. Son causa directa de la lluvia ácida cuyos efectos son muy importantes tanto en las grandes ciudades acelerando la corrosión de edificios y monumentos, reduciendo significativamente la visibilidad como en el campo, produciendo la acidez de lagos, ríos y suelos.
• SO3 o Trióxido de Azufre. Es un agente deshidratante poderosísimo, se obtiene por oxidación del anhídrido sulfuroso, SO2 . Por calentamiento de ácido sulfúrico se desprende SO3 .
o Cromato:
Los iones de cromato disueltos en agua constituyen un grave problema para la salud de los seres vivientes pues causa la muerte por envenenamiento.
• Arsenato de Potasio:
Son compuesto que estan en : cemento, asbesto, estos compuestos causan problemas en vías respiratorias
• Arsenato de Sodio:
Son los principales contaminantes de lagos y ríos, estos compuestos provienen de los detergentes en especial.
Clasificación
Los compuestos se dividen en tres grandes ramas:
Binarios: son aquellos que tienen 2 electrones, grupo en el que destacan el Ácido, Óxido anhídrido, Sal, Peróxido, Hidruro.
Terciarios: son aquellos que tienes 3 electrones; destacan Orto, Meta, Piro.
Cuaternarios: son aquellos que tienen 4 electrones; en esta rama están comprendidos los radicales.
Nomenclatura química de los compuestos inorgánicos
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Para iniciar el estudio de la nomenclatura es necesario distinguir primero entre compuestos orgánicos e inorgánicos. Los compuestos orgánicos son los que contienen carbono, comúnmente enlazados con hidrógeno, oxígeno, boro, nitrógeno, azufre y algunos halógenos. El resto de los compuestos se clasifican como compuestos inorgánicos. Éstos se nombran según las reglas establecidas por la IUPAC.
Los compuestos inorgánicos se clasifican según la función química que contengan y por el número de elementos químicos que los forman, con reglas de nomenclatura particulares para cada grupo. Una función química es la tendencia de una sustancia a reaccionar de manera semejante en presencia de otra. Por ejemplo, los compuestos ácidos tienen propiedades características de la función ácido, debido a que todos ellos tienen el ion H+1; y las bases tienen propiedades características de este grupo debido al ion OH-1 presente en estas moléculas. Las principales funciones químicas son: óxidos, bases, ácidos y sales.
Véase también: pH
Contenido
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• 1 Nomenclaturas
o 1.1 Otras reglas y conceptos generales
• 2 Óxidos (compuestos binarios con oxígeno)
o 2.1 Óxidos básicos (metálicos)
o 2.2 Óxidos ácidos o anhídridos (no metálicos)
o 2.3 Peróxidos
o 2.4 Superóxidos
o 2.5 Ozónidos
• 3 Hidruros (Compuestos binarios con hidrógeno)
o 3.1 Hidruros metálicos
o 3.2 Hidrácidos e hidruros no metálicos
o 3.3 Boranos
o 3.4 Silanos
o 3.5 Germanos
o 3.6 Hidruros con los nitrogenoides
• 4 Hidrocarburos
• 5 Oxácidos (compuestos ternarios ácidos)
o 5.1 Ácidos
• 6 Hidróxidos (compuestos ternarios básicos)
• 7 Sales
o 7.1 Sales neutras
o 7.2 Sales ácidas
o 7.3 Sales básicas
o 7.4 Sales mixtas
• 8 Poliácidos
• 9 Peroxoácidos
• 10 Tioácidos
• 11 Iones
o 11.1 Cationes mono y poliatómicos
• 12 Véase también
• 13 Enlaces
Nomenclaturas
Se aceptan tres tipos de nomenclaturas para nombrar compuestos químicos inorgánicos:
• Nomenclatura sistemática o estequiométrica: Este sistema de nomenclatura se basa en nombrar a las sustancias usando prefijos numéricos griegos que indican la atomicidad de cada uno de los elementos presentes en la molécula. La atomicidad indica el número de átomos de un mismo elemento en una molécula, como por ejemplo H2O que significa que hay un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno presentes en la molécula, aunque en una fórmula química la atomicidad también se refiere a la proporción de cada elemento en el que se llevan a cabo las reacciones para formar el compuesto; en este estudio de nomenclatura es mejor tomar la atomicidad como el número de átomos en una sola molécula. La forma de nombrar los compuestos es prefijo-nombre genérico + prefijo-nombre específico (Véase en la sección otras reglas nombre genérico y específico).
Prefijos griegos Atomicidad
mono- 1
di- 2
tri- 3
tetra- 4
penta- 5
hexa- 6
hepta- 7
octa- 8
nona- (o eneá) 9
deca- 10
Por ejemplo, CrBr3 = tribromuro de cromo; CO = monóxido de carbono
En casos en los que puede haber confusión con otros compuestos (sales dobles y triples, oxisales y similares) se pueden emplear los prefijos bis-, tris-, tetras-, etc.
Ejemplo: Ca5F (PO4)3 = fluoruro tris (fosfato) de calcio, ya que si se usara el término trifosfato se estaría hablando del anión trifosfato [P3O10]5-, en cuyo caso sería:
Ca8F (P3O10)3.
• Nomenclatura Stock: Este sistema de nomenclatura se basa en nombrar a los compuestos escribiendo al final del nombre con números romanos la valencia atómica del elemento con nombre específico (valencia o número de oxidación, es el que indica el número de electrones que un átomo pone en juego en un enlace químico, un número positivo cuando tiende a ceder los electrones y un número negativo cuando tiende a ganar electrones), anteponiendo a este número, encerrado entre paréntesis, se escribe el nombre genérico y el específico del compuesto de esta forma: nombre genérico + de + nombre del elemento + el No. de valencia. Normalmente, a menos que se haya simplificado la fórmula, la valencia puede verse en el subíndice del otro átomo (en compuestos binarios y ternarios). Los números de valencia normalmente se colocan como superíndices del átomo en una fórmula molecular.
Ejemplo: Fe2+3S3-2. sulfuro de hierro (III) [se ve la valencia III del hierro en el subíndice o atomicidad del azufre].
• Nomenclatura tradicional o clásica o funcional: En este sistema de nomenclatura se indica la valencia del elemento de nombre específico con una serie de prefijos y sufijos griegos.
Cuando el elemento sólo tiene una valencia, se usa el sufijo –ico o simplemente se coloca el nombre del elemento precedido de la sílaba “de”.
Cuando tiene dos valencias diferentes se usan los sufijos -oso e -ico.
… -oso cuando el elemento usa la valencia menor: FeO, valencia del hierro (II), óxido ferroso
… -ico cuando el elemento usa la valencia mayor: Fe2O3, valencia del hierro (III), óxido férrico
Cuando tiene tres distintas valencias se usan los prefijos y sufijos
hipo - … - oso (para la valencia inferior)
… -oso (para la valencia intermedia)
… -ico (para números de valencia superior)
Cuando tiene cuatro distintas valencias se usan los prefijos y sufijos
hipo - … - oso (para la valencia inferior)
… -oso (para la valencia intermedia inferior)
… -ico (para la valencia intermedia superior)
per - … - ico (para la valencia superior):Ejemplo: Mn2+7O7-2 óxido permangánico (ya que el manganeso tiene más de dos números de valencia y en este compuesto está trabajando con la valencia 7).
Otras reglas y conceptos generales
Los compuestos (binarios y ternarios) en su nomenclatura están formados por dos nombres: el genérico y el específico. El nombre genérico o general es el que indica a qué grupo de compuestos pertenece la molécula o su función química, por ejemplo si es un óxido metálico/básico, un óxido no metálico/ácido, un peróxido, un hidruro, un hidrácido, un oxácido, una sal haloidea, etc. Y el nombre específico es el que diferencia a las moléculas dentro de un mismo grupo de compuestos. Por ejemplo, óxido ferroso y óxido férrico, estos dos compuestos pertenecen al grupo de los óxidos y por eso su nombre genérico es óxido y a la vez los nombres específicos ferroso y férrico hacen referencia a dos compuestos diferentes FeO y Fe2 O3, respectivamente.
En general, en una fórmula molecular de un compuesto se coloca a la izquierda el elemento con carga o número de valencia positivo (elemento más electropositivo) y a la derecha el que contenga el número de valencia negativo (elemento más electronegativo). Y al contrario de esto, en nomenclatura se coloca el nombre genérico de primero, que es el que designa al elemento de la derecha (el más electronegativo) y el nombre específico en segundo lugar que es el que designa al elemento de la izquierda (el menos electronegativo). Por ejemplo: óxido de sodio - Na2O, el nombre genérico óxido hace referencia al segundo elemento de la fórmula que es el “oxígeno”, el más electronegativo, y el nombre específico “sodio” hace referencia al primer elemento de la fórmula que es el sodio y el menos electronegativo o más electropositivo.
Cómo se trabajan los números de valencia: muchos elementos pueden trabajar con más de un número de valencia, hasta el número 7 de valencia en los elementos representativos. Con las fórmulas moleculares se puede determinar con que número trabajan los elementos del compuesto. En la fórmula de un compuesto la suma de los números de valencia entre los elementos debe ser cero, lo que significa que la molécula será neutra y sin carga, a menos que la fórmula indique lo contrario con una carga positiva o negativa de la molécula o ion. Por ejemplo: FeO, este compuesto es un óxido y el oxígeno en los óxidos trabaja con una valencia de -2, así que para que la molécula sea neutra el hierro debe sumar el número de valencias suficientes para que la suma de valencias sea cero. Los números de valencia con los que puede trabajar el hierro son +2 y +3, así que, para esta molécula el hierro va a utilizar la valencia +2. Como solo hay un átomo de hierro y la valencia es +2, el elemento en esa molécula tiene carga de +2 y de igual manera como solo hay un átomo de oxígeno y trabaja con la valencia -2, la carga de este elemento es de -2. Y ahora la suma de valencias o cargas es igual a cero (+2) + (-2) = 0. La fórmula con valencias para este compuesto sería Fe2O-2. En otro ejemplo, en el compuesto Fe2O3 se busca también un cero en la suma de valencias para que la molécula sea neutra, así que como hay 3 átomos de oxígeno y este trabaja con la valencia -2, la carga para este elemento en la molécula son el número de átomos del elemento multiplicado por el número de valencia con el que este trabaja, que en total seria -6. De esta manera los átomos de hierro deben de sumar valencias para hacer cero al -6 de los oxígenos, en la sumatoria final. Como hay 2 átomos de hierro, este va a trabajar con el número de valencia +3 para hacer un total de +6, que sumados con los -6 de los oxígenos seria cero, que significa una carga neutra para la molécula. Los números de átomos y valencias en la molécula son:
No. de átomos de hierro = (2)
No. de valencia para cada uno de los átomos de hierro = (+3)
No. de átomos de oxígeno = (3)
No. de valencia para cada uno de los átomos de oxígeno = (-2)
La operatoria completa se vería así: [2(+3)] + [3(-2)] = 0. La fórmula con valencias seria Fe23O3-2 (los números de valencia normalmente se colocan como superíndices del átomo en una fórmula molecular). Como ya se había explicado anteriormente el número de valencias indica los electrones que se juegan en un enlace, y en este último compuesto, Fe23O3-2, cada uno de los 2 átomos de hierro está cediendo 3 electrones a los átomos de oxígeno, que a la vez cada uno de los 3 oxígenos está ganando 2 electrones. 2 de los 3 átomos de oxígeno reciben 2 electrones de los 2 átomos de hierro, y el 3er átomo de oxígeno recibe 2 electrones, 1 electrón sobrante de cada uno de los 2 átomos de hierro.
En la siguiente tabla se presentan los elementos que generalmente se usan para formar compuestos. Los números de valencia están en valor absoluto.
Elemento Símbolo Número de Valencia Elemento Símbolo Número de Valencia
Aluminio Al 3 Antimonio Sb 3 y 5
Arsénico As 3 y 5 Astato At 1, 3, 5 y 7
Azufre S 2, 4 y 6 Bario Ba 2
Berilio Be 2 Bismuto Bi 3 y 5
Boro B 3 Bromo Br 1 y 5
Cadmio Cd 2 Calcio Ca 2
Carbono C 2 y 4 Cesio Cs 1
Cinc Zn 2 Circonio Zr 4
Cloro Cl 1, 3, 5 y 7 Cobalto Co 2 y 3
Cobre Cu 2 y 1 Cromo Cr 2, 3, 4, 5 y 6
Escandio Sc 3 Estaño Sn 2 y 4
Estroncio Sr 2 Flúor F 1
Fósforo P 1,3 y 5 Galio Ga 3
Germanio Ge 2,4 y -4 Hafnio Hf 4
Hidrógeno H 1 y -1 Hierro Fe 2 y 3
Iridio Ir 2, 3, 4 y 6 Itrio Y 3
Lantano La 3 Litio Li 1
Magnesio Mg 2 Manganeso Mn 2, 3, 4, 6, 7
Mercurio Hg 1 y 2 Molibdeno Mo 2, 3, 4, 5 y 6
Niobio Nb 3 Níquel Ni 2 y 3
Nitrógeno N 2, 3, 4 y 5 Oro Au 1 y 3
Osmio Os 2, 3, 4 y 6 Plata Ag 1
Platino Pt 2 y 4 Plomo Pb 2 y 4
Potasio K 1 Renio Re 1, 2, 4, 6 y 7
Rodio Rh 2, 3 y 4 Rubidio Rb 1
Rutenio Ru 2, 3, 4 y 6 Selenio Se 2, 4 y 6
Silicio Si 4 Sodio Na 1
Talio Tl 1 y 3 Tántalo Ta 5
Tecnecio Tc 7 Telurio Te 2, 4 y 6
Titanio Ti 3 y 4 Vanadio V 2, 3, 4 y 5
Yodo I 1,3, 5 y 7
Véase también: Estructura de Lewis
Óxidos (compuestos binarios con oxígeno)
Son compuestos químicos inorgánicos diatómicos o binarios formados por la unión del oxígeno con otro elemento diferente a los gases nobles. Según si este elemento es metal o no metal serán óxidos básicos u óxidos ácidos. El oxígeno siempre tiene valencia -2 con excepción en los peróxidos (ion peróxido enlazado con un metal) donde el oxígeno utiliza valencia -1. Los óxidos se pueden nombrar en cualquiera de los tres sistemás de nomenclaturas; si se utiliza el sistema Stock el número romano es igual a la valencia del elemento diferente del oxígeno, si se utiliza el sistema tradicional los sufijos y prefijo se designan de acuerdo a la valencia del elemento diferente del oxígeno y si se utiliza la nomenclatura sistemática no se tienen en cuenta las valencias, sino que, se escriben los prefijos en cada elemento de acuerdo a sus atomicidades en la fórmula molecular.
Óxidos básicos (metálicos)
Son aquellos óxidos que se producen entre el oxígeno y un metal cuando el oxígeno trabaja con un número de valencia -2. Su fórmula general es: Metal2 + O. Si la valencia del metal es par, se simplifica el subíndice 2 del metal. En la nomenclatura Stock los compuestos se nombran con las reglas generales anteponiendo como nombre genérico la palabra óxido precedido por el nombre del metal y su número de valencia. En la nomenclatura tradicional se nombran con el sufijo -oso e -ico dependiendo de la menor o mayor valencia del metal que acompaña al oxígeno. Y en la nomenclatura sistemática se utilizan las reglas generales con la palabra óxido como nombre genérico.
En la nomenclatura tradicional para los óxidos que se enlazan con metales que tienen más de dos números de valencia se utilizan las siguientes reglas: metales con números de valencia hasta el 3 se nombran con las reglas de los óxidos y los metales con números de valencia iguales a 4 y mayores se nombran con las reglas de los anhídridos. Ejemplos: V2O3 se nombra como óxido, óxido vanádico; V2O5 se nombra como anhídrido, anhídrido vanádico. Los átomos de vanadio con número de valencia 2 (-oso) y 3 (-ico) se nombran como óxidos y los átomos de vanadio con números de valencia 4 (-oso) y 5 (-ico) como anhídridos.
Ver Ecuaciones ajustadas (Discusión)
Metal + Oxígeno → Óxido básico
4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
Compuesto Nomenc. sistemática Nomenc. Stock Nomenc. tradicional
K2O monóxido de dipotasio u óxido de dipotasio óxido de potasio (I) u óxido de potasio óxido potásico u óxido de potasio
Fe2O3 trióxido de dihierro // sesquióxido de hierro óxido de hierro (III) óxido férrico
FeO monóxido de hierro óxido de hierro (II) óxido ferroso
SnO2 dióxido de estaño óxido de estaño (IV) óxido estánico
dióxido de cobre ii
Cuando los no metales, nitrógeno y fósforo, trabajan con números de valencia 4 y 2 mientras se enlazan con el oxígeno se forman óxidos (ver la sección de anhídridos, penúltimo párrafo).
Óxidos ácidos o anhídridos (no metálicos)
Son aquellos formados por la combinación del oxígeno con un no metal. Su fórmula general es No Metal2O. De ser posible, se simplifica. En este caso, la nomenclatura tradicional emplea la palabra anhídrido en lugar de óxido, a excepción de algunos óxidos de nitrógeno y fósforo. La nomenclatura sistemática y la Stock nombran a los compuestos con las mismas reglas que en los óxidos metálicos. En la nomenclatura tradicional se nombran con los siguientes sufijos y prefijos.
hipo - … - oso (para números de valencia 1 y 2)
… -oso (para números de valencia 3 y 4)
… -ico (para números de valencia 5 y 6)
per - … - ico (para el número de valencia 7)
No metal + Oxígeno → Anhídrido
2S + 3O2 → 2SO3
Compuesto Nomenc. sistem. Nomenc. Stock Nomenc. tradicional
Cl2O óxido de dicloro o monóxido de dicloro óxido de cloro (I) anhídrido hipocloroso
SO3 trióxido de azufre óxido de azufre (VI) anhídrido sulfúrico
Cl2O7 heptóxido de dicloro óxido de cloro (VII) anhídrido perclórico
Cuando el flúor reacciona con el oxígeno se crea un compuesto diferente ya que el oxígeno deja de ser el elemento más electronegativo, distinto a como pasa con todos los óxidos donde el oxígeno es el elemento más electronegativo. El único elemento más electronegativo que el oxígeno es el flúor con 4.0 mientras el oxígeno tiene 3.5. Así que el compuesto deja de llamarse óxido y se nombra como fluoruro de oxígeno para el sistema tradicional, fluoruro de oxígeno (II) para el sistema Stock y difluoruro de oxígeno para el sistemático. La fórmula es O2F2-1. Los óxidos de nitrógeno, al igual que los óxidos del azufre, son importantes por su participación en la lluvia ácida. Con el término óxido de nitrógeno se hace alusión a cualquiera de los siguientes:
• Óxido nítrico u Óxido de nitrógeno (II), de fórmula NO.
• Dióxido de nitrógeno, de fórmula NO2.
• Óxido nitroso o Monóxido de dinitrógeno, de fórmula N2O.
• Trióxido de dinitrógeno, de fórmula N2O3.
• Tetróxido de dinitrógeno, de fórmula N2O4.
• Pentóxido de dinitrógeno, de fórmula N2O5.
Entre las excepciones a las reglas de anhídridos para la nomenclatura tradicional están los óxidos de nitrógeno y óxidos de fósforo. Estos compuestos se nombran así:
• N21O-2 Anhídrido hiponitroso
• N2O-2 Óxido hiponitroso
• N23O3-2 Anhídrido nitroso
• N24O4-2 Óxido nitroso
• N4O2-2 Óxido nitroso
• N25O5-2 Anhídrido nítrico
• P23O3-2 Anhídrido fósforoso
• P4O2-2 Óxido fósforoso
• P25O5-2 Anhídrido fosfórico
Cuando los metales con más de dos números de valencia y que trabajan con los números de valencia iguales o mayores a 4 mientras se enlazan con el oxígeno, forman anhídridos (ver la sección de óxidos, segundo párrafo).
Peróxidos
Los peróxidos son obtenidos cuando reacciona un oxído con el oxígeno monoatómico y se caracterizan por llevar el grupo peróxido o unión peroxídica (-o-o-). Son compuestos diatómicos en donde participan el grupo peróxido y un metal. La fórmula general de los peróxidos es Metal + (O-1) 2-2. En el sistema tradicional se utiliza el nombre peróxido en lugar de óxido y se agrega el nombre del metal con las reglas generales para los óxidos en esta nomenclatura. En las nomenclaturas Stock y sistemática se nombran los compuestos con las mismás reglas generales para los óxidos. No todos los metales forman peróxidos y habitualmente lo hacen los del grupo 1A y 2A de la tabla periódica. (Angeloni, Sanie Maria. Lima, Juan. PROTON 1. Fundación en Alianza.2007. Asunción. Paraguay.)
Metal + Grupo peróxido → Peróxido
2Li+1 + (O)2-2 → Li2(O)2
Compuesto Nomenc. sistemática Nomenc. Stock Nomenc. tradicional
H2O2 dióxido de dihidrógeno óxido de hidrógeno (I) u óxido de hidrógeno peróxido de hidrógeno
CaO2 dióxido de calcio dióxido de calcio (II) peróxido de calcio
ZnO2 dióxido de zinc óxido de cinc (II) peróxido de zinc
Superóxidos
También llamados hiperóxidos, son compuestos binarios que contienen el grupo o anión superóxido, la fórmula general es Metal + (O 2)-1 Aparentemente, el oxígeno tiene valencia -1/2. Generalmente el grupo superóxido reacciona con los elementos alcalinos y alcalinotérreos. Se nombran como los peróxidos tan sólo cambiando peróxido por superóxido o hiperóxido.
Metal + Grupo superóxido → Superóxido
Li+1 + (O2)-1 → LiO2
Compuesto Nomenclatura
KO2 superóxido o hiperóxido de potasio
CaO4 ó Ca (O2)2 superóxido de calcio
CdO4 superóxido de cadmio
Ozónidos
Son compuestos binarios formados por el grupo ozónido, que son 3 oxígenos enlazados con una valencia total de -1. La fórmula general para los ozónidos es Metal + (O3)-1. Los ozónidos se nombran de forma análoga a los peróxidos con la diferencia que en estos compuestos se utiliza el nombre ozónido en lugar de peróxido.
Metal + Grupo ozónido → Ozónido
K + (O3)-1 → KO3
Compuesto Nomenclatura
KO3 ozónido de potasio
RbO3 ozónido de rubidio
CsO3 ozónido de cesio
Hidruros (Compuestos binarios con hidrógeno)
Hidruros metálicos
Son compuestos binarios o diatómicos formados por hidrógeno y un metal. En estos compuestos, el hidrógeno siempre tiene valencia -1. Se nombran con la palabra hidruro. Su fórmula general es MHx (x=valencia del metal). Para nombrar estos compuestos en el sistema tradicional se utiliza la palabra hidruro y se agrega el nombre del metal con los prefijos -oso o -ico con las reglas generales para esta nomenclatura. Para los sistemas Stock y sistemático se utilizan las reglas generales con la palabra hidruro como nombre genérico.
Metal + Hidrógeno → Hidruro metálico
2K + H2 → 2KH
Compuesto Nomenc. sistemática Nomenc. Stock Nomenc. tradicional
KH monohidruro de potasio o hidruro de potasio hidruro de potasio (I) o hidruro de potasio hidruro potásico o hidruro de potasio
NiH3 trihidruro de níquel hidruro de níquel (III) hidruro niquélico
PbH4 tetrahidruro de plomo hidruro de plomo (IV) hidruro plúmbico
Hidrácidos e hidruros no metálicos
Los hidrácidos (compuestos binarios ácidos) e hidruros no metálicos son compuestos formados entre el hidrógeno y un no metal de las familias VIA y VIIA ( anfígenos y halógenos respectivamente). Los elementos de estas dos familias que pueden formar hidrácidos e hidruros no metálicos son: S, Se, Te, F, Cl, I y Br, que por lo general trabajan con el menor número de oxidación, -2 para los anfígenos y -1 para los halógenos. Estos compuestos se nombran en el sistema tradicional y de forma diferente según si están disueltos (estado acuoso) o en estado puro (estado gaseoso). Los hidrácidos pertenecen al grupo de los ácidos, Ver la sección oxácidos.
Los hidruros no metálicos son los que se encuentran en estado gaseoso y se nombran agregando al no metal el sufijo -uro y la palabra hidrógeno precedido de la sílaba “de”. En este caso el nombre genérico es para el elemento más electropositivo que sería el del hidrógeno y el nombre especifico es para el elemento más electronegativo que sería el del no metal, por ejemplo H+1 Br-1 (g) bromuro de hidrógeno, bromuro como nombre especifico e hidrógeno como nombre genérico.
No metal + Hidrógeno → Hidruro no metálico
Cl2 + H2 → 2HCl(g)
Los hidrácidos provienen de disolver en agua a los hidruros no metálicos y por esa misma razón son estos los que se encuentran en estado acuoso. Se nombran con la palabra ácido, como nombre genérico, y como nombre específico se escribe el nombre del no metal y se le agrega el sufijo –hídrico. Al igual que en estado gaseoso el nombre genérico es nombrado por el elemento más electropositivo.
Hidruro No metálico + Agua → Hidrácido
HCl(g) + H2O → H+1 + Cl-1
Compuesto en estado puro en disolución
HF fluoruro de hidrógeno ácido fluorhídrico
HCl cloruro de hidrógeno ácido clorhídrico
HBr bromuro de hidrógeno ácido bromhídrico
HI yoduro de hidrógeno ácido yodhídrico
H2S sulfuro de hidrógeno ácido sulfhídrico
H2Se seleniuro de hidrógeno ácido selenhídrico
H2Te teluluro de hidrógeno ácido telurhídrico
Boranos
Son compuestos binarios entre el hidrógeno y el boro que generalmente se enlazan siguiendo la fórmula BnHn+4. Estos compuestos no se nombran en un sistema de nomenclatura específico ya que las reglas para nombrarlos son especiales. Se utiliza la palabra borano con un prefijo numérico griego (tabla) que depende del número de átomos de borano presentes en la molécula.
Compuesto Nombre
BH3 monoborano o borano
B2H6 diborano
B3H7 triborano
B4H8 tetraborano
B10H14 decaborano
Silanos
Son compuestos binarios de hidrógeno y silicio que se enlazan generalmente siguiendo la fórmula SinH2n+2. Los silanos al igual que los boranos no tienen un sistema de nomenclatura específico para ser nombrados y utilizan las mismas reglas de nomenclatura, con la palabra silano como base.
Compuesto Nombre
SiH4 monosilano, silano o tetrahidruro de silano
Si2H6 disilano
Si3H8 trisilano
Si4H10 tetrasilano
Si10H22 decasilano
Germanos
Son compuestos binarios de hidrógeno y germanio que se enlazan generalmente siguiendo la misma fórmula que los silanos GenH2n+2. Los germanos al igual que los boranos y silanos no tienen un sistema de nomenclatura específico para ser nombrados y utilizan las mismas reglas de nomenclatura que los silanos, con la palabra germano como base.
Compuesto Nombre
GeH4 monogermano, germano o tetrahidruro de germano
Ge2H6 digermano
Ge3H8 trigermano
Ge4H10 tetragermano
Ge10H22 decagermano
Hidruros con los nitrogenoides
Estos hidruros son compuestos binarios de hidrógeno y un elementos de la familia V que se enlazan siguiendo la fórmula N.M.H3. A estos compuestos se les llama por sus nombres comunes, aunque muy raramente se les nombra con las reglas de nomenclatura de los hidruros (metálicos). En estos hidruros no metálicos el hidrógeno es el elemento más electronegativo en el compuesto.
No metal + Hidrógeno → Hidruro no metálico
N2 + 3H2 → 2NH3
Compuesto Nombre
NH3 amoníaco o trihidruro de nitrógeno
PH3 fosfina o trihidruro de fósforo
AsH3 arsina o trihidruro de arsénico
SbH3 estibina o trihidruro de antimonio
BiH3 bismutina o trihidruro de bismuto
Hidrocarburos
Son compuestos orgánicos poliatómicos formados por hidrógeno y carbono.
Véase también: Nomenclatura química de los compuestos orgánicos
Véase también: Química orgánica
Oxácidos (compuestos ternarios ácidos)
También llamados oxoácidos y oxiácidos, son compuestos ternarios originados de la combinación del agua con un anhídrido u óxido ácido. La fórmula general para los oxácidos es H.X.O donde “X” representa al no metal. En el sistema tradicional se les nombra con las reglas generales para los anhídridos sustituyendo la palabra anhídrido por ácido (ya que de los anhídridos se originan). Para el sistema Stock se nombra al no metal con el sufijo –ato, luego el número de valencia del no metal y por último se agrega “de hidrógeno”. Y para la nomenclatura sistemática se indica el número de átomos de oxígeno con el prefijo correspondiente (según reglas generales para este sistema) seguido de la partícula “oxo” unida al nombre del no metal y el sufijo –ato, por último se agrega al nombre las palabras “de hidrógeno”.
Anhídrido + Agua → oxácido
SO3 + H2O → H2SO4
Compuesto Nomenclatura sistemática Nom. Stock Nom. tradicional
H2SO4 ácido tetraoxosulfato o tetraoxosulfato de hidrógeno sulfato (VI) de hidrógeno ácido sulfúrico
HClO4 ácido tetraoxoclórato o tretraoxoclórato de hidrógeno clorato (VII) de hidrógeno ácido perclórico
H2SO2 ácido dioxosulfato o dioxosulfato de hidrógeno sulfato (II) de hidrógeno ácido hiposulfuroso
Como se indica en la sección de los anhídridos, el nitrógeno y el fósforo no forman anhídridos cuando se enlazan con el oxígeno, mientras estos trabajan con los números de valencia 4 y 2, si no que forman óxidos y por esta razón el nitrógeno y el fósforo no pueden formar oxácidos con estos números de valencia.
Ya que para nombrar a los compuestos se necesita saber con qué números de valencia trabajan los elementos, una manera muy fácil para determinar los números, según la fórmula molecular, es sumando los números de valencia del oxígeno y el hidrógeno planteando una ecuación para la valencia del no metal, ya que la suma de cargas debe ser cero para que la molécula sea neutra (ver la sección reglas generales). Estos compuestos siguen la fórmula general H X O donde “X” representa al no metal, y donde el oxígeno es el elemento más electronegativo y el hidrógeno y el no metal son los elementos más electropositivos. El hidrógeno trabaja con la valencia +1 y el oxígeno con la valencia -2, siempre en estos compuestos. Por ejemplo: H2SO4, como hay 4 átomos de oxígeno y este trabaja con -2, en total para los oxígenos la carga seria de -8. De la misma manera, como hay 2 hidrógenos y este trabaja con valencia +1 la carga para este elemento es de +2. Como la suma de las cargas debe ser igual a cero, entonces el azufre trabajara con la valencia +6. Los elementos con valencias y la operatoria serían: H2+1 + S+6 + O4-2 => (+1)2 + (+6) + (-2)4 = 0. Como el azufre trabaja con +6 su terminación o sufijo sería –ico y el compuesto se nombraría “ácido sulfúrico”.
Por otra parte, ciertos anhídridos pueden formar hasta tres oxácidos distintos dependiendo de cuantas moléculas de agua se agreguen por molécula de anhídrido. En otras palabras, en ciertos oxácidos especiales, un solo “no metal” con una sola valencia puede formar hasta tres oxácidos. Estos no metales son el boro, fósforo, arsénico y el antimonio. Para diferenciar a estos oxácidos en el sistema tradicional se utilizan tres prefijos dependiendo de cuantas moléculas de agua se agregan por cada una molécula de anhídrido. Estos son:
meta-… (1 molécula de agua)
piro-… (2 moléculas de agua)
orto-… (3 moléculas de agua) este prefijo se puede omitir
El silicio y el yodo también pueden formar oxácidos con más de una molécula de agua, en dos casos especiales.
Compuesto Nom. sistemática Nom. Stock Nom. tradicional
P2O5 + H2O → 2HPO3 ácido trioxofosfato (V) o trioxofosfato de hidrógeno (V) trioxofosfato (V) de hidrógeno ácido metafosfórico
P2O5 + 2H2O → H4P2O7 ácido heptaoxofosfato (V) o heptaoxofosfato de hidrógeno (V) heptaoxofosfato (V) de hidrógeno ácido pirofosfórico
P2O5 + 3H2O → 2H3PO4 ácido tetraoxofosfato (V) o tetraoxofosfato de hidrógeno (V) tetraoxofosfato (V) de hidrógeno ácido ortofosfórico o ácido fosfórico
I2O7 + 5H2O → 2H5IO6 ácido hexaoxoyodato (VII) o hexaoxoyodato de hidrógeno (VII) hexaoxoyodato (VII) de hidrógeno ácido ortoperyódico
SiO2 + 3H2O → H6SiO5 ácido tetraoxosilisato (IV) o tetraoxosilisato de hidrógeno (IV) tetraoxosilisato (IV) de hidrógeno ácido ortosilicico o ácido silicico
Los óxidos están formados por un anhídrido (no metal y oxígeno) y el hidrógeno, pero como se indica en la secciones de anhídridos y óxidos básicos algunos metales, también pueden formar anhídridos, y por esta razón, también pueden formar oxácidos.
Compuesto Nomenclatura sistemática Nom. Stock Nom. tradicional
H2CrO4 ácido tetraoxocromato o tetraoxocromato de hidrógeno cromato (VI) de hidrógeno ácido crómico
H2MnO3 ácido trioxomanganato o trioxomanganato de hidrógeno manganato (IV) de hidrógeno ácido manganoso
H2MnO4 ácido tetraoxomanganato o tetraoxomanganato de hidrógeno manganato (VI) de hidrógeno ácido mangánico
HMnO4 ácido tetraoxomanganato (VII) o tetraoxomanganato de hidrógeno (VII) manganato (VII) de hidrógeno ácido permangánico
HVO3 ácido trioxovanadato (V) o trioxovanadato de hidrógeno (V) vanadato (V) de hidrógeno ácido vanádico
Los oxiácidos son compuestos que presentan uniones covalentes, pero cuando se disuelven en agua ceden fácilmente iones H+1 (protones). Esto se debe a que el agua, por la naturaleza polar de sus moléculas, tiene tendencia a romper las uniones covalentes polares de los ácidos, con formación de iones H+1 y del anión ácido correspondiente. Por ejemplo, el ácido nítrico que se disuelve en agua da lugar a un anión nitrato y un catión hidrógeno.
(Agua)……….
HNO3 →→→→ NO3-1 + H+1
La ionización de un oxácido al disolverse en agua es un ejemplo de proceso que se cumple en ambos sentidos, es decir que, al mismo tiempo que se forman iones a partir del ácido, este se regenera constantemente por la unión de aniones y cationes. Los procesos de esta naturaleza se denominan reversibles.
(Agua)……….
HNO3 →→→→ NO3-1 + H+1
……….(Agua)
NO3-1 + H+1 →→→→ HNO3
Ácidos
Los ácidos son compuestos que se originan por combinación del agua con un anhídrido u óxido ácido, o bien por disolución de ciertos hidruros no metálicos en agua. En el primer caso se denominan oxácidos y en el segundo, hidrácidos. Ácido, también es toda sustancia que en solución acuosa se ioniza, liberando cationes hidrógeno.
Hidróxidos (compuestos ternarios básicos)
Son compuestos formados por la unión de un óxido básico o ácido con agua. Se caracterizan por tener en solución acuosa el radical o grupo oxhidrilo o hidroxilo OH-1. Para nombrarlos se escribe con la palabra genérica hidróxido, seguida del nombre del metal electropositivo terminado en oso o ico según las reglas generales para el sistema tradicional. La fórmula general es M (OH)-1x. En la nomenclatura Stock y sistemática se nombran con el nombre genérico hidróxido y las respectivas reglas generales.
Óxido básico + Agua → Hidróxido
Na2O + H2O → 2Na(OH)
Compuesto Nomenclatura sistemática Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional
LiOH hidróxido de monolitio o de litio hidróxido de litio (I) o hidróxido de litio hidróxido lítico
Pb (OH)2 dihidróxido de plomo hidróxido de plomo (II) hidróxido plumboso
Al (OH)3 trihidróxido de aluminio hidróxido de aluminio (III) hidróxido alumínico
Los hidróxidos cuando se disuelven en agua se ionizan formando cationes metal e iones hidroxilo u oxhidrilo. Este proceso de ionización es reversible, es decir que así como se forma los cationes metal e iones hidroxilo a partir de un hidróxido, inversamente, también se pueden formar hidróxidos a partir de los cationes e iones ya mencionados.
(Agua)……..
Na(OH) →→→→ Na+1 + (OH)-1
……..(Agua)
Na+1 + (OH)-1 →→→→ Na(OH)
Un caso especial lo constituye el hidróxido de amonio. El amoníaco es un gas muy soluble en agua, su fórmula es NH3. Al disolverse reacciona con el agua formando el compuesto hidróxido de amonio. Este proceso es reversible.
…..(Agua)
NH3 + H2O →→→→ NH4(OH)
(Agua)…..
NH4(OH) →→→→ NH3 + H2O
Sales
Las sales son compuestos que resultan de la combinación de sustancias ácidas con sustancias básicas. Las sales comprenden tanto compuestos binarios o diatómicos, como ternarios. Y hay distintos tipos o formas de clasificarlas que son: sales neutras, sales ácidas, sales básicas y sales mixtas.
Sales neutras
Las sales neutras son compuestos formados por la reacción de un ácido con un hidróxido formando también agua. Entre las sales neutras se encuentran las binarias y las ternarias, que dependen si el ácido reaccionante es un hidrácido o un oxácido. Cuando reacciona un ácido con un hidróxido para formar una sal neutra se combinan todos los cationes hidronio (H+1) con todos los iones hidroxilo (OH-1). Los iones H+1 son los que dan la propiedad de ácido a los hidrácidos y oxácidos, y los iones OH-1 son los que dan propiedad de base a los hidróxidos, y cuando estos ácidos y bases reaccionan dan lugar a una neutralización, que es la formación de agua, y los iones restantes de la reacción forman una sal. Es por esta razón que estas sales reciben el nombre de neutras.
Las sales neutras binarias o sales haloideas son compuestos formados por un hidrácido y un hidróxido. Para nombrarlos en el sistema tradicional, stock y sistemático se aplican las reglas generales usando el nombre del no metal con el sufijo –uro como nombre genérico y el nombre del metal como nombre especifico.
En las dos primeras ecuaciones se ejemplifica por separado la neutralización y la formación de la sal neutra; y en las dos últimas el proceso completo de las reacciones.
H+1 + OH-1 → H2O
Cl-1 + Na+1 → NaCl
Hidrácido + Hidróxido → Agua + Sal neutra
HCl + Na(OH) → H2O + NaCl
Compuesto Nomenclatura sistemática Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional
CaF2 difluoruro de calcio fluoruro de calcio fluoruro cálcico
FeCl3 tricloruro de hierro cloruro de hierro (III) cloruro férrico
CoS monosulfuro de cobalto sulfuro de cobalto (II) sulfuro cobaltoso
Las sales neutras ternarias son compuestos formados por un hidróxido y un oxácido. La denominación que reciben las sales proviene del nombre del ácido que las origina. Para nombrar una sal cuando deriva de un ácido cuyo nombre especifico termina en -oso, se reemplaza dicha terminación por -ito. Análogamente cuando el nombre especifico del ácido termina en –ico, se reemplaza por -ato. Otra manera para saber cuándo utilizar los sufijos –ito o –ato, en lugar de determinar de qué ácido proviene la sal neutra, para así nombrarla; se determina el número de valencia con el que trabaja el no metal en el compuesto. El procedimiento es similar al utilizado en los oxácidos (sección oxácidos, tercer párrafo). Los puntos que hay que tener en cuanta son: el elemento más electropositivo es el oxígeno y los elementos menos electronegativos son el metal y el no metal diferente del oxígeno; en la fórmula molecular el metal va a la izquierda, el no metal va al centro y el oxígeno va a la derecha; el oxígeno trabaja con el número de valencia -2; los elementos que formaran el radical son el no metal y el oxígeno, lo que significa que la suma de valencias o cargas entre estos dos será un número negativo; la suma de cargas entre los tres elementos o entre el metal y el radical será igual a cero, lo que significa que la molécula es neutra. Por ejemplo: Ca(ClO3)2. En resumen el procedimiento se basa en determinar la carga del radical, que será negativo, y con esto se puede establecer el número con el que debe trabajar el metal, para que la suma entre este y el radical sea cero. Como primer paso hay que determinar la carga del radical; como hay 3 oxígenos en el radical y cada oxígeno trabaja con -2 la carga total de los oxígenos en un radical es de -6; como hay 1 cloro en el radical y la suma de valencias entre el oxigeno y el cloro debe ser negativo, el cloro trabajara con +5 de valencia. Para probar que el cloro debe trabajar con +5 únicamente, en este compuesto, se hace la operación con cada número de valencia del cloro; si el cloro trabajara con +1, la sumatoria con la carga -6 de los oxígenos seria igual a -5, siendo este -5 la carga de cada radical y como hay dos, los radicales sumarían una carga de -10, así que el calcio para hacer neutra la molécula debería trabajar con un número de valencia +10, el cual no existe, entonces el cloro no puede trabajar con -1 en el radical; si el cloro trabajaría con el +3 ocurriría lo mismo, el calcio debería de tener la valencia +6, la cual no existe; y si el cloro trabajara con +6 la sumatoria de valencias entre el cloro y los oxígenos seria cero, lo cual no es correcto ya que el radical debe tener carga negativa. Ya que el cloro trabaja con +5 la carga de los dos radicales es de -2 y el calcio tendría que usar la valencia +2 para hacer cero la carga y neutra la molécula. Cuando en una molécula hay solamente un radical se omiten los paréntesis de la fórmula
En el sistema tradicional se utiliza como nombre genérico el nombre del no metal, elemento proporcionado por el oxácido, con el sufijo correspondiente a su número de valencia y como nombre especifico el nombre del metal, elemento proporcionado por el hidróxido. Según el número de valencia del no metal en la sal o en el oxácido del que proviene los sufijos son:
hipo - … - oso (para números de valencia 1 y 2) hipo - … - ito
… -oso (para números de valencia 3 y 4) … - ito
… -ico (para números de valencia 5 y 6) … - ato
per - … - ico (para el número de valencia 7) per - … - ato
En el ejemplo anterior, Ca(ClO3)2, como el cloro trabaja con la valencia +5, el compuesto se nombra Clorato de calcio. En el sistema Stock se utiliza como nombre genérico el nombre del no metal con el prefijo correspondiente al número de oxígenos presentes por radical en el compuesto (según la tabla de prefijos griegos), y la partícula “oxo”, más el sufijo ato. Después del nombre general se indica la valencia del no metal con números romanos, y luego como nombre especifico se utiliza el nombre del metal.
Oxácido + Hidróxido → Agua + Sal neutra
H3PO4 + 3Na(OH) → 3H2O + Na3PO4
Compuesto Nom. Stock Nom. tradicional
Na3PO4 tetraoxofosfato (V) de sodio fosfato de sodio u ortofosfato de sodio
CaSO4 tetraoxosulfato (VI) de calcio sulfato de calcio
NaClO4 tetraoxoclorato (VII) sodio perclorato de sodio
Mg(BrO)2 monoxobromato (I) de magnesio hipobromito de magnesio
Sales ácidas
Las sales ácidas son compuestos cuaternarios que resultan del reemplazo parcial de los hidrógenos de un ácido por átomos metálicos. Los ácidos deben presentar dos o más hidrógenos en su molécula para formar estas sales. Para nombrarlos en el sistema tradicional se siguen las reglas de las sales neutras ternarias agregando la palabra “hidrógeno” antes del nombre del metal. Y para nombrarlos en el sistema Stock y sistemático se usan las reglas generales para las sales neutras ternarias, en estos dos sistemas, agregando la palabra “hidrógeno” antes del nombre del metal. Para poder encontrar la valencia del no metal para así poder nombrar correctamente la sal se puede usar el método utilizado en los compuestos de sales neutras ternarias, teniendo en cuenta: que el oxigeno trabaja con valencia -2; el hidrógeno trabaja con valencia +1; estos compuestos siguen la fórmula general Metal + Hidrógeno + No Metal + Oxigeno; los elementos que trabajaran con valencias positivas son el metal, el hidrógeno y el no metal por ser los más electropositivos y el elemento que trabaja con valencia negativa es el oxigeno.
Ácido + Hidróxido → Agua + Sal ácida
H2SO4 + Na(OH) → H2O + NaHSO4
Compuesto Nom. Stock y sistemática Nom. tradicional
NaHSO4 tetraoxosulfato de hidrógeno y sodio sulfato de hidrógeno y sodio
KHCO3 trioxocarbonato de hidrógeno y potasio carbonato de hidrógeno y potasio
Sales básicas
Estas sales son compuestos que resultan de reemplazar parcialmente los oxhidrilos de un hidróxido por los aniones de un ácido. Para nombrarlos en el sistema tradicional depende de si el ácido es binario o ternario, es decir que si se trata de un hidróxido o un hidrácido. Cuando el ácido es un hidrácido se utiliza el nombre del no metal con su sufijo uro y se le antepone el prefijo “hidroxo” para el nombre general y como nombre especifico el nombre del metal. Y cuando el ácido es un hidróxido, como nombre general, se utiliza el nombre del no metal con el prefijo “hidroxo” y su correspondiente sufijo según su valencia (como se indica en la sección de las sales neutras ternarias), y como nombre especifico el nombre del metal.
Ácido + Hidróxido → Agua + Sal básica
HNO3 + Ca(OH)2 → H2O + CaNO3(OH)
Compuesto Nomenclatura tradicional
MgCl(OH) hidroxocloruro de magnesio
CaNO3(OH) hidroxonitrato de calcio
Sales mixtas
Las sales mixtas son compuestos resultado de sustituir los hidrógenos de un ácido por átomos metálicos distintos de hidróxidos. Las reglas para nombrar las sales mixtas en el sistema tradicional son análogas a las sales ácidas.
Ácido + Hidróxido1 + Hidróxido2 → Agua + Sal mixta
H2SO4 + Na(OH) + K(OH) → 2H2O + NaKSO4
Compuesto Nomenclatura tradicional
NaKSO4 tetraoxosulfato de sodio y potasio
CaNaPO4(OH) ortofosfato de calcio y sodio
Poliácidos
Se trata de aquellos oxiácidos que resultan de la unión de 2 ó 3 moléculas de oxiácidos con la pérdida de una molécula de agua por cada unión que se realice. Es como si fuesen dímeros o trímeros. Se nombran indicando el número de moléculas de ácido que se han unido con un prefijo (Nomenclatura tradicional) o indicando con prefijos el número de átomos del no metal o metal en los pocos casos en que ocurre (demás nomenclaturas).
Ejemplo Nom. Stock Nom. sistemática Nom. tradicional
H2S2O7 ácido heptaoxodisulfúrico (VI) heptaoxodisulfato (VI) de hidrógeno ácido disulfúrico
H2Cr2O7 ácido heptaoxodicrómico (VI) heptaoxodicromato (VI) de hidrógeno ácido dicrómico
H5P3O10 ácido decaoxotrifosfato (V) decaoxotrifosfato (V) de hidrógeno ácido trifosfórico
Las sales de los poliácidos se nombran de forma análoga a las oxisales.
Ejemplo Nomenclatura sistemática y funcional Nomenclatura tradicional
CaCr2O7 heptaoxodicromato (VI) de calcio dicromato cálcico o de calcio
Mg2P2O7 heptaoxodifosfato (V) de magnesio difosfato magnesico
Na2S2O7 heptaoxodisulfato (VI) de sodio disulfato sódico
Peroxoácidos
Son aquellos oxoácidos que han sustituido un oxígeno por un grupo peroxo O2-. Su fórmula no se simplifica. En la nomenclatura tradicional (la más frecuente) se añade peroxo-, y en las restantes se indica con -peroxo- el oxígeno sustituido. Si a la hora de formular pudiera haber confusión con otro oxoácido, se indica el grupo peroxo entre paréntesis.
Ejemplo Nomenclatura sistemática Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional
H2SO5 ácido trioxoperoxosulfúrico (VI) trioxoperoxosulfato (VI) de hidrógeno ácido peroxosulfúrico
HOONO ó HNO (O2) ácido monoxoperoxonítrico (V) monoxoperoxonitrato (V) de hidrógeno ácido peroxonítrico
H3BO3 ácido monoxoperoxobórico monoxoperoxoborato (V) de hidrógeno ácido peroxobórico
Las peroxisales se nombran de forma análoga a las oxisales.
Ejemplo Nomenclatura sistemática y Stock Nomenclatura tradicional
K2S2O8 hexaoxoperoxodisulfato (VI) de potasio peroxodisulfato de potasio
Ba[NO (O2)]2 oxoperoxonitrato (III) de bario peroxonitrito de bario o bárico
CaSO5 tetraoxoperoxosulfato (VI) de calcio peroxosulfato de calcio
Tioácidos
Son aquellos oxoácidos que resultan de la sustitución de uno o varios oxígenos por azufres. Se nombran con el prefijo tio- seguido por el ácido de origen (nomenclatura tradicional) o -tio- en la sistemática y de Stock, indicando con un prefijo el número de oxígenos restantes. Si se escribe tio sin prefijo numérico en la nomenclatura tradicional, se está indicando que se han sustituido todos los O por S, excepto en el caso de los tioácidos del azufre (aquí tio=monotio).
Fórmula General:
R.CO.SH o R.CS.OH
Ejemplo Nomenclatura sistemática Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional
H2S2O3 ácido trioxotiosulfúrico trioxotiosulfato (VI) de hidrógeno ácido tiosulfúrico
HNSO2 ácido dioxotionítrico (V) dioxotionitrato (V) de hidrógeno ácido tionítrico
H3PS2O2 ácido dioxoditiofosfórico (V) dioxoditiofosfato (V) de hidrógeno ácido ditiofosfórico
Las tiosales se nombran de forma análoga a las oxisales.
Ejemplo Nomenclatura sistemática y stock Nomenclatura tradicional
FeS2O3 trioxotiosulfato (VI) de hierro (II) tiosulfato ferroso
Al2(HPS4)3 hidrógenotetratiofosfato (V) de aluminio hidrógenotiofosfato de aluminio
Na3PS3O oxotritiofosfato (V) de sodio tritiofosfato de sodio
Iones
Son aquellos átomos o moléculas cargados eléctricamente. Pueden ser de carga positiva (cationes) o de carga negativa (aniones).
Cationes mono y poliatómicos
Son iones con carga positiva. Si son monoatómicos, se nombran simplemente nombrando el elemento después de la palabra catión. Por ejemplo, Li+ catión litio. Si el elemento tiene varios estados de oxidación (valencias) se usan números romanos (Stock) o los afijos hipo- -oso, -oso, -ico, per- -ico (tradicional).
Ejemplo Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional
Fe3+ catión hierro (III) catión férrico
Cu+ catión cobre (I) catión cuproso
Cuando se trata de cationes poliatómicos, se distinguen dos casos:
a) Si proceden de oxoácidos se añade el sufijo -ilo al nombre del oxoácido correspondiente en nomenclaturas tradicional (éste puede indicar la valencia en números romanos), también se puede nombrar en la Stock. Es como el oxoácido sin moléculas de agua.
Ejemplo Nomenclatura tradicional Nomenclatura Stock
NO2+ catión nitroilo catión dioxonitrógeno (V)
NO+ catión nitrosilo catión monoxonitrógeno (III)
SO2+ catión sulfinilo o tionilo catión monoxoazufre (IV)
SO22+ catión sulfonilo o sulfurilo catión dioxoazufre (VI)
UO2+ catión uranilo (V) catión dioxouranio (V)
UO22+ catión uranilo (VI) catión dioxouranio (VI)
VO3+ catión vanadilo (V) catión monoxovanadio (V)
VO2+ catión vanadilo (IV) catión dioxovanadio (IV)
b) Si proceden de hidruros, lleva el sufijo -onio.
Ejemplo Nombre
H3O+ hidronio u oxonio
NH4+ amonio
PH4+ fosfonio
SbH4+ estibonio
AsH4+ arsonio
BiH4+ bismutonio
H2S+ sulfonio
H2Cl+ cloronio
Química inorgánica
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La química inorgánica se encarga del estudio integrado de la formación, composición, estructura y reacciones químicas de los elementos y compuestos inorgánicos (por ejemplo, ácido sulfúrico o carbonato cálcico); es decir, los que no poseen enlaces carbono-hidrógeno, porque éstos pertenecen al campo de la química orgánica. Dicha separación no es siempre clara, como por ejemplo en la química organometálica que es una superposición de ambas.
Antiguamente se definía como la química de la materia inorgánica, pero quedó obsoleta al desecharse la hipótesis de la fuerza vital, característica que se suponía propia de la materia viva que no podía ser creada y permitía la creación de las moléculas orgánicas.Se suele clasificar los compuestos inorgánicos según su función en ácidos, bases, óxidos y sales, y los óxidos se les suele dividir en óxidos metálicos (óxidos básicos o anhídridos básicos) y óxidos no metálicos (óxidos ácidos o anhídridos ácidos).
El término función se les da por que los miembros de cada grupo actúan de manera semejante.
El término anhídrido básico se refiere a que cuando un óxido metálico reacciona con agua generalmente forma una base, mientras que los anhídridos ácidos generalmente reaccionan con agua formando un ácido.
Al ver una fórmula, generalmente lo podemos ubicar en uno de estos grupos.
1. Ácidos cuando observamos el símbolo del hidrógeno al extremo izquierdo de la fórmula, como HCl (ácido clorhídrico)
2. Bases cuando observamos un metal al principio de la fórmula unido al anión hidróxido (OH-) al final, como NaOH (hidróxido de sodio).
3. Óxidos a los compuestos BINARIOS del óxigeno, (ojo, debe ser binario contener sólo dos elementos en la fórmula, uno de ellos es el oxígeno que va escrito su símbolo al extremo derecho. Óxido metálico cuando es un metal el que se enlaza al oxígeno (óxidos metálicos binarios), como Fe2O3 (óxido férrico). Óxido no metálico cuando es un no-metal el enlazado al oxígeno, como CO (monóxido de carbono).
4. Sales son aquellas que están formadas por un metal y un anión que no es ni óxido ni hidróxido, como el NaCl (cloruro sódico)
Como excepción tenemos que el ion amonio (NH4+) puede hacer la función de un metal en las sales, y también se encuentra en las disoluciones de amoníaco en agua, ya que no existe el compuesto hidróxido amonico, NH4OH, ni ha sido detectado en ningún sistema mediante condiciones especiales.
Contenido
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• 1 Campo de trabajo
• 2 Áreas de interés
• 3 Áreas relacionadas
• 4 Compuestos y sustancias importantes
• 5 Véase también
• 6 Enlaces externos
Campo de trabajo [editar]
El nombre tiene su origen en la época en la que todos los compuestos del carbono se obtenían de seres vivos; de ahí la química del carbono se denomina química orgánica. La química de compuestos sin carbono, fue, por ende, llamada química inorgánica. Actualmente, se obtienen compuestos orgánicos en el laboratorio, de forma que la separación es artificial. Algunas de las sustancias con carbono que entran en el campo de la química inorgánica incluyen:
• grafito, diamante (fulereno y nanotubos se consideran más bien orgánicos)
• carbonatos y bicarbonatos
• carburo
Áreas de interés [editar]
Apartados de interés de la química inorgánica incluyen:
• La tabla periódica de los elementos:
o Química de los elementos representativos
o Química de los metales de transición
o Química de las tierras raras
• Química de coordinación
• Química de los compuestos con enlace metal-metal
Áreas relacionadas [editar]
Áreas de solapamiento con otros campos del conocimiento incluyen:
• Ciencia de materiales
• Geoquímica
• Magnetoquímica
• Mineralogía
• Química analítica
• Química bioinorgánica
• Química del estado sólido
• Química física
• Química medioambiental
• Química organometálica
Compuestos y sustancias importantes [editar]
Hay muchísimos compuestos y sustancias inorgánicas de gran importancia, comercial y biológica. Entre ellos:
• muchos fertilizantes, como el nitrato amónico, potásico, fosfatos o sulfatos...
• muchas sustancias y disolventes cotidianos, como el amoníaco, el agua oxigenada, la lejía, el salfumán
• muchos gases de la atmósfera, como el oxígeno, el nitrógeno, el dióxido de carbono, los óxidos de nitrógeno y de azufre...
• todos los metales y las aleaciones
• los vidrios de ventanas, botellas, televisores...
• las cerámicas de utensilios domésticos, industriales, o las losetas de las lanzaderas espaciales.
• el carbonato de calcio de nuestros huesos
• los chips de silicio semiconductores que hacen posible la microelectrónica y los ordenadores
• las pantallas LCD
• el cable de fibra óptica
• muchos catalizadores de interés industrial
• el centro activo de las metaloenzimas
miércoles, 26 de mayo de 2010
Estructura atómica
1. MODELO CIENTÍFICO.-
Supongamos que nos dan una caja cerrada que no nos está permitido abrir y que contiene algo en su interior. Como no la podemos abrir, tendremos que recurrir a hacer una serie de pruebas o ensayos para averiguar lo que contiene: agitarla, pesarla, ... Con los datos obtenidos podremos forjar una idea, una imagen mental, sobre el contenido de la caja. Por otra parte, la idea o modelo que imaginamos nos permitirá formular predicciones: si, por ejemplo, concluimos que se trata de un líquido, podremos predecir que al hacerle un agujero, tal líquido se derramará.
Una idea o teoría sobre la naturaleza de un fenómeno para explicar hechos experimentales constituye lo que en ciencias se denomina modelo científico.
Un ejemplo de modelo científico es el modelo atómico. Nadie ha visto nunca un átomo. Es más, la propia ciencia predice que nunca se podrá ver. Sin embargo, observando una serie de fenómenos en el comportamiento de la materia es posible desarrollar una serie de ideas de como será la estructura de la materia.
2. EVOLUCIÓN DE LOS MODELOS ATÓMICOS.-
Demócrito, filosofo griego, fueron probablemente los primeros en creer que la materia estaba constituida por partículas que denominaron átomos, palabra que significa "sin división", ya que consideraban el átomo como único e indivisible. Se basaba, no en pruebas experimentales, sino en un razonamiento que puede sintetizarse así: un trozo de metal puede cortarse en 2 pedazos y cada uno de éstos en dos pedazos más...; estos pueden dividirse sucesivamente hasta llegar a un momento en que se obtenga una partícula que ya no sea posible dividirla: el átomo. Pensaba que los átomos tendrían formas y tamaños distintos: esféricos ,cilíndricos, irregulares...
Empédocles, otro filósofo griego, no creía en tal teoría y postulaba la idea de que la materia estaba constituida por 4 elementos que se combinaban entre sí. Según él, la vida sólo era posible donde había humedad: una flor sin agua se muere; luego el primer elemento era el agua. Pero el agua no es sólida, se escapa de las manos. Una montaña no puede estar formada de agua y necesita, por tanto, otro elemento que le dé consistencia, solidez. La tierra fue el segundo elemento de que habló Empédocles, pues, a su juicio, daba consistencia al agua. Sin embargo, el barro que resultaba de esta mezcla era muy blando. Creyó entonces que quien le daba dureza era un tercer elemento, el aire, pues seca o evapora el agua que contienen las cosas. Por último, Empédocles consideró el fuego como 4º elemento.
Posteriormente transcurre un largo período en la historia de la Química, la Alquimia, donde la preocupación primordial es tratar de convertir los metales conocidos en oro.
Hacia el 1800, el profesor inglés John Dalton recogió la idea del átomo que dio el filosofo Demócrito, si bien esta vez basándose en métodos experimentales. Mediante el estudio de las leyes ponderales, concluye que:
• la materia está constituida por partículas indivisibles (átomos),
• todos los átomos de un mismo elemento químico son iguales,
• los átomos de elementos diferentes son también diferentes.
Modelo atómico de Thompson.-
En 1897 Joseph John Thompson realiza una serie de experimentos y descubre el electrón. En tubos de gases a baja presión en los que se establece una diferencia de potencial superior a 10.000 voltios, se comprobó que aparecían partículas con carga eléctrica negativa a las que se llamó electrones, y demostró que habían sido arrancados de los átomos (los cuales eran neutros). Tal descubrimiento modificó el modelo atómico de Dalton, que lo consideraba indivisible. Thompson supuso el átomo como una esfera homogénea e indivisible cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones.
Modelo atómico de Rutherford
Posteriormente otro físico inglés, Ernest Rutherford, realizó una serie de experimentos. Hizo incidir sobre una lámina finísima de oro un delgado haz de partículas cargadas positivamente de masa mucho mayor que el electrón y dotadas de energía cinética alta. En el choque observó distintos comportamientos:
• la mayoría atravesaban la lámina sin desviarse
• algunas se desviaban
• muy pocas retrocedían
Esta experiencia implicaba:
• que los átomos estaban casi vacíos, pues la mayoría de las partículas las atravesaban
• que hay una zona cargada positivamente, ya que algunas partículas retrocedían o se desviaban. Esta zona debe estar muy concentrada ya que es mayor el número de desviaciones que de choques.
Esto le condujo a proponer en 1911 un nuevo modelo atómico en el que se afirmaba que los átomos estaban constituidos por 2 zonas bien diferenciadas:
• Una de carga positiva con el 99,9% de la masa muy concentrada y por tanto de gran densidad a la que llamó núcleo.
• Otra rodeando al núcleo a la que llamó corteza donde estaban los electrones con carga negativa girando alrededor del núcleo.
Sin embargo, el modelo de Rutherford presentaba fallos:
• Según la teoría clásica de electromagnetismo, una partícula eléctrica acelerada emite energía. Y el electrón girando el torno al núcleo está sometido a una aceleración centrípeta por lo que irradiaría energía, perdería velocidad y, por fin, caería al núcleo desestabilizando el átomo. Pero como el átomo de hecho es estable, las cosas no pueden ocurrir según el modelo de Rutherford.
• No explicaba los espectros
Radioactividad
Radioactividad es la propiedad que presentan los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente una radiación característica.
La radioactividad puede ser:
• Radioactividad natural: Es la que manifiestan los isótopos que se encuentran en la naturaleza.
• Radiactividad artificial o inducida: Es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.
Radiactividad natural
En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro.
Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.
El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente a los esposos Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio, polonio y radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica
El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Y la causa que lo origina se cree que es debida a la interacción neutrón-protón del mismo.
Al estudiar la radiación emitida por el radio se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.
Se comprobó que dicha radiación consta de 3 partes:
• Radiación a : Identificada con núcleos de Helio ( ), constituidos por dos protones y dos neutrones. Por tanto, poseen dos cargas positivas y son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Es poco penetrante aunque muy ionizante.
• Radiación b : Son electrones resultantes de la desintegración de los neutrones del núcleo:
neutrón® protón + electrón + neutrino
Debido a su carga es desviada por campos eléctricos y magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de la radiación a .
• Radiación g : No es corpuscular como las 2 anteriores, sino de naturaleza electromagnética. Al no tener carga, los campos eléctricos y magnéticos no la afectan. Es la más penetrante, y muy peligrosa.
Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Soddy y Fajans, son:
• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula a , la masa del átomo resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico en 2.
• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula b , la masa del átomo resultante no varía y su número atómico aumenta en una unidad.
• Cuando un núcleo exitado emite una radiación g no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía hv.
Las dos primeras leyes nos indican que cuando un átomo emite una radiación a o b se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándose en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas.
Radiactividad artificial.
Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas.
Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro del núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente.
Fue descubierta por los esposos Curie, bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas a . Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas a de bombardeo.
El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas subatómicas. Se abre la posibilidad de convertir unos elementos en otros. Incluso el sueño de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se hace realidad, aunque no resulte rentable.
ESPECTROS ÓPTICOS.-
Cuando se hace pasar la radiación emitida por un cuerpo caliente a través de un prisma óptico, se descompone en distintas radiaciones electromagnéticas dependiendo de su distinta longitud de onda (los distintos colores de la luz visible, radiaciones infrarrojas y ultravioleta) dando lugar a un espectro óptico. Todas las radiaciones obtenidas impresionan las películas fotográficas y así pueden ser registradas.
Cada cuerpo caliente da origen a un espectro diferente ya que esta depende de la propia naturaleza del foco.
Los espectros pueden ser de emisión y absorción. A su vez ambos se clasifican en continuos y discontinuos:
• ESPECTROS DE EMISIÓN: Son aquellos que se obtienen al descomponer las radiaciones emitidas por un cuerpo previamente exitado.
- Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar las radiaciones de cualquier sólido incandescente por un prisma. Todos los sólidos a la misma Temperatura producen espectros de emisión iguales.
Espectro continuo de la luz blanca
- Los espectros de emisión discontinuos se obtienen al pasar la luz de vapor o gas exitado. Las radiaciones emitidas son características de los átomos exitados.
Espectro de emisión de vapores de Li
• ESPECTROS DE ABSORCIÓN: Son los espectros resultantes de intercalar una determinada sustancia entre una fuente de luz y un prisma
- Los espectros de absorción continuos se obtienen al intercalar el sólido entre el foco de radiación y el prisma. Así, por ejemplo, si intercalamos un vidrio de color azul quedan absorbidas todas las radiaciones menos el azul.
- Los espectros de absorción discontinuos se producen al intercalar vapor o gas entre la fuente de radiación y el prisma. Se observan bandas o rayas situadas a la misma longitud de onda que los espectros de emisión de esos vapores o gases.
Espectro de absorción de vapores de Li
Se cumple así la llamada ley de Kirchhoff, que dice:
Todo cuerpo absorbe las mismas radiaciones que es capaz de emitir.
TEORÍA DE PLANCK
En 1900 emitió una hipótesis que interpretaba los resultados experimentales satisfactoriamente como los cuerpos captaban o emitían energía.
Según Planck, la energía emitida o captada por un cuerpo en forma de radiación electromagnética es siempre un múltiplo de la constante h, llamada posteriormente constante de Planck por la frecuencia v de la radiación.
e =nhv
h=6,62 10-34 J•s, constante de Planck
v=frecuencia de la radiación
A hv le llamó cuanto de energía. Que un cuanto sea más energético que otro dependerá de su frecuencia.
Modelo atómico de Bohr.-
Para salvar los inconvenientes del modelo anterior, N Bohr estableció una serie de postulados (basados en la teoría de Planck y los datos experimentales de los espectros) que constituyen el modelo atómico de Bohr:
• Admitió que hay ciertas órbitas estables en las cuales los electrones pueden girar alrededor del núcleo sin radiar energía. Deduce que sólo son posibles aquellas órbitas en las que el momento angular del electrón es múltiplo entero de
.
Introduce un número n, llamado número cuántico principal, que da nombre a las distintas órbitas del átomo.
• El electrón, cuando emite energía cae de una órbita a otra más próxima al núcleo. Lo contrario ocurre si capta energía.
Como según la teoría electromagnética una carga acelerada tiene que irradiar energía, no puede haber ningún orbital permanente. Por eso, Bohr argumentaba que no se podía perder energía continuamente, sino en cuantos (de acuerdo con la teoría de Planck) equivalentes a la diferencia de energía entre las órbitas posibles.
Cuando a un átomo se le suministra energía y los electrones saltan a niveles más energéticos, como todo sistema tiende a tener la menor energía posible, el átomo es inestable y los electrones desplazados vuelven a ocupar en un tiempo brevísimo (del orden de 10-8) el lugar que dejasen vacío de menor energía, llamados niveles energéticos fundamentales.
Así pues, ya tenemos una explicación de los espectros atómicos con el modelo de Bohr. Cuando un átomo es exitado por alguna energía exterior, algún electrón absorbe dicha energía pasando de un nivel energético fundamental a niveles de energía superior. Como, según Planck, la absorción de energía está cuantizada, la diferencia de energía entre ambos niveles será hv. El electrón absorbe solo una radiación de frecuencia v determinada mayor cuanto mayor sea el "salto" del electrón.
Así, en el espectro de absorción aparecerá una banda continua con algunas rayas negras que corresponderán a aquellas frecuencias determinadas que los electrones han captado para pasar de un nivel a otro más energético.
Como el átomo exitado es inestable, en un tiempo brevísimo el electrón desplazado volverá al nivel energético fundamental, emitiendo una energía de la misma frecuencia hv que absorbió anteriormente.
Así, el espectro de emisión del elemento estará formado por líneas definidas, situadas en la misma longitud de onda que el espectro de emisión, separadas por zonas oscuras.
Ello explica por que los espectros de los vapores o gases (en los que nos encontramos los átomos o moléculas aislados sin interaccionar entre sí) son discontinuos.
Es un hecho experimental que cada elemento químico tiene su espectro atómico característico.
Fue a partir de las series del hidrógeno, de las frecuencias de las distintas radiaciones emitidas, de donde Bohr dedujo los niveles de energía correspondientes a las órbitas permitidas. Sin embargo, al aplicar esta distribución de los niveles energéticos a otros elementos no se correspondían esos cálculos teóricos con los resultados experimentales de los espectros, que eran muchos más complejos. Incluso el mismo átomo de Hidrógeno con espectroscopios más precisos producía líneas que con el modelo de Bohr no se podía explicar.
Corrección de Somerfield.-
Al perfeccionarse los espectroscopios (aparatos que muestran los espectros) se observó que las líneas del espectro del hidrógeno eran en realidad varias líneas muy juntas. Y lo que Bohr Creyó que eran estados únicos de energía eran varios estados muy próximos entre sí.
Sommerfield lo interpretó diciendo que las órbitas podían ser elípticas. Para ello introdujo un nuevo número cuántico l, también llamado número azimutal, que puede valer:
l=0,1,...,(n-1)
Este número nombra a cada uno de los niveles de energía posibles para cada valor de n. Con Sommerfield, para determinar la posición del electrón en el átomo de hidrógeno hay que dar 2 números cuánticos l y m.
Efecto Zeeman.-
Cuando se obtiene el espectro del átomo de hidrógeno mientras el gas está dentro de un campo magnético se observa un desdoblamiento de las líneas que analizó Sommerfield. Cada una de estas líneas se desdoblaba en varias. Este fenómeno desaparecía al desaparecer el campo magnético por lo que no se debe a que existan nuevos estados distintos de energía del electrón, sino que está provocado por la interacción del campo magnético externo y el campo magnético que crea el electrón al girar en su órbita.
Este problema se solucionó pensando que para algunas de las órbitas de Sommerfield existen varias orientaciones posibles en el espacio que interaccionan de forma distinta con el campo magnético externo. Para ello se creo un nuevo número cuántico magnético, que vale para cada valor de l:
m=-l,...,-1,0,1,...,+l
Para determinar pues la posición del electrón en el átomo de hidrógeno hay que dar 3 números cuánticos: n, l, m.
Efecto Zeeman anómalo.-
Al perfeccionar los espectroscopios y analizar los espectros obtenidos por el efecto Zeeman, se comprobó que cada línea era en realidad dos líneas muy juntas. Esto se llamó efecto Zeeman anómalo, y si desaparecía el campo magnético externo también desaparecía este efecto.
Se explicó admitiendo que el electrón puede girar sobre sí mismo y hay dos posibles giros, que interaccionaban de forma distinta con el campo magnético externo y que por eso cada línea se desdoblaba en 2. Se creó un nuevo número cuántico s, o número de spin (giro), al que se le dio 2 valores, uno para cada sentido:
s=+1/2,-1/2
Para describir la posición de un electrón se necesitan 4 números cuánticos: (n,l,m,s).
Sin embargo, todo lo anterior sólo era útil para el átomo de hidrógeno, pues su aplicación en la descripción de otros átomos fracasó.
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
Principio enunciado en 1927 por el alemán Werner Heisenberg según el cual no puede ser conocida con exactitud y simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de un electrón..
Este principio tiene su origen en la mecánica cuántica según la cual el mismo hecho de medir la velocidad o la posición de un electrón implica una imprecisión en la medida
Por ejemplo, en el caso de que pudiéramos "ver" un electrón u otra partícula subatómica, para poder medir la velocidad habría que iluminarlo. Pues bien, el fotón que ilumina a ese electrón modifica la cantidad de movimiento del mismo. Por tanto, modificaría su velocidad original que es lo que queríamos medir.
DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO
Al igual que el átomo, la luz ha sido motivo de estudio del hombre desde hace mucho tiempo, debido a su afán de comprender mejor las cosas que le rodean.
Ya 500 años antes de Jesucristo, Pitágoras afirmaba que la luz está formada por partículas que fluyen en línea recta y a gran velocidad del propio cuerpo luminoso que captan nuestros ojos.
Más tarde, Aristóteles sostuvo que la luz se propaga desde el cuerpo hasta el ojo, análogamente a como el sonido parte del cuerpo y llega al oído por vibraciones del aire.
Newton (1642-1727), se opuso tenazmente a esta teoría ondulatoria y fue partidario de la teoría corpuscular, cuya idea coincidía con la de Pitágoras. Esta teoría explica bien la reflexión (la luz se refleja en un espejo de modo análogo como una bola de billar rebota en la banda de la mesa). La refracción de la luz, aunque con más dificultades es también explicada, pero otros fenómenos como la polarización y la difracción no encuentran respuestas.
Para otros, partidarios de la teoría ondulatoria de Huyghens (1629-1695), la luz está formada por vibraciones del éter. Sin embargo, pese a que esta explica perfectamente fenómenos como la polarización y la defracción, el gran prestigio de Newton, hizo que la teoría corpuscular prevaleciera durante todo el siglo XVIII.
Hasta el siglo XIX los físicos estaban divididos sobre la naturaleza de la luz. En 1815, el inglés Maxwell dedujo teóricamente que la velocidad de las ondas electromagnéticas era la misma que la de la luz. Este hecho le sugirió la idea de que la luz debía estar formada por vibraciones electromagnéticas de frecuencia elevada que no necesitan ningún medio material para propagarse. Según esta teoría no era necesaria la existencia del hipotético éter y la luz entraba a formar parte de las radiaciones electromagnéticas. Esto supuso un golpe de muerte para la teoría corpuscular.
Cuando parecía que el modelo ondulatorio de Huygens había logrado dar una explicación exacta sobre la naturaleza de la luz, los experimentos de Hertz en el año 1887 vienen a introducir un nuevo problema: el efecto fotoeléctrico: cuando se ilumina una superficie metálica con una radiación de frecuencia adecuada se produce una emisión de electrones. La teoría ondulatoria no da explicación suficiente del efecto fotoeléctrico, ya que según la misma la energía transportada por una onda es independiente de su frecuencia, mientras que la experiencia nos demuestra que por debajo de cierta frecuencia el efecto fotoeléctrico no se produce.
La explicación del efecto fotoeléctrico fue dada por A. Einstein, basándose en la Teoría de Planck. Para Einstein, si la energía es emitida o absorbida de manera discontinua mediante cuantos de energía (como sostenía Planck) es porque la misma naturaleza de la luz (la energía radiante) es discontinua y está formada por paquetes de energía hv a los que llamó fotones, de modo que actúan de manera similar a los corpúsculos de Newton.
Se permaneció así, con un doble carácter corpuscular y ondulatorio, que prevalecía uno sobre otro según qué fenómeno se tratase, hasta que en 1923 Luis de Broigle acabó con las discrepancias y estableció la dualidad onda-corpúsculo. Según Broigle, el fotón puede ser considerado como un corpúsculo que parte del cuerpo luminoso y que en su rápido movimiento origina una onda electromagnética (cuya longitud de onda dedujo: l =h/mv), convertiendose así en un corpúsculo-onda, del mismo modo que al avanzar rápido un proyectil origina un movimiento periódico que nosotros percibimos como sonido. Del mismo modo que electrón transporta su campo eléctrico, cada cuanto de radiación transporta consigo un fenómeno periódico que se extiende por el espacio circundante. Por consiguiente, la aparente contradicción sobre la doble naturaleza de la luz cesa desde el momento en que la energía radiante constituida a la vez por ondas y corpúsculos, indisolublemente asociados. Porque entonces se concibe sin dificultad que el carácter ondulatorio se manifiesta más especialmente en ciertos fenómenos, mientras que en otros prevalece el carácter corpuscular.
Modelo mecanocuántico del átomo.-
Una de las consecuencias deducidas del Principio de Indeterminación de Heisenberg es que la interacción entre los aparatos de medida y los objetos de la medición hace imposible determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad del electrón. De aquí se sigue la imposibilidad de hablar de trayectorias: una trayectoria significa el conocimiento de la posición de una partícula en cada instante, y de la velocidad correspondiente a cada posición. Con este punto de vista, los modelos de Bohr y Sommerfield, muy intuitivos, han de parecer forzosamente limitados. En 1924 el francés Luis de Broigle amplía al electrón (y a otras partículas) la noción de dualidad onda-corpúsculo, según la cual el electrón lleva asociada una onda electromagnética de longitud l =h/mv. La hipótesis ondulatoria de la materia y el principio de indeterminación, alteraron los conceptos de posición, velocidad y orbital electrónico. Nació así un nuevo dominio de la física, la mecánica cuántica, que explica coherentemente los fenómenos del microcosmos.
En 1926 el austríaco Schrödiger basándose en la hipótesis de De Broigle y la idea de órbitas permitidas de Bohr, supone que esas órbitas debían de contener un número entero de longitudes de onda lo que daría origen a una onda estacionaria. Considerar una onda asociada al electrón explicaría la razón de ser de los orbitales posibles que Bohr estableció como postulado, cuya circunferencia sería un múltiplo de la longitud de onda de los electrones.
El estado de un electrón de obtendría mediante la ecuación que Shröringer postula en 1926. Teniendo en cuenta el principio de incertidumbre dichas ecuaciones no se pueden resolver, pero se obtienen la llamada función de onda (Y ), aproximación de carácter estadístico que nos permite deducir para cada nivel de energía la probabilidad de que los electrones estén en una u otra situación. Las órbitas electrónicas quedan sustituidas por zonas del espacio en la que existe el 99% de encontrar al electrón, a la que llamamos orbitales.
3. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO.-
a) Núcleo atómico.
Tiene un tamaño diminuto respecto al volumen del átomo.
P. ej., para el átomo de Al:
Con Rutherford sólo se sabía que tiene carga eléctrica positiva. Hoy en día se sabe que, con el excepción que el átomo de hidrógeno (que sólo tiene un protón), los núcleos atómicos contienen una mezcla de protones y neutrones, colectivamente llamados como nucleones. El protón tiene la misma carga que el electrón pero positiva. El electrón es de tamaño similar, pero eléctricamente neutro. Ambos tienen una masa de 1 UMA. Los protones y los neutrones en el núcleo atómico se mantienen unidos por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que supera a la fuerza de repulsión electromagnética mucho más débil que actúa entre los protones de carga positiva.
La corteza del átomo está formada por unas partículas llamadas electrones y de masa 1/1836 UMA, por lo que al ser tan pequeña se desprecia. Como el átomo es neutro debe haber el mismo número de electrones que de protones.
Al número de protones se le llama Z o número atómico, y se corresponde con el número de orden en el sistema periódico.
Como el átomo es eléctricamente neutro debe haber el mismo número de protones que de electrones.
Al número de neutrones se llama N
La masa atómica (A) de un átomo será la suma de los protones y de los neutrones (ya que la del electrón por ser muy pequeña se desprecia).
A=N+Z
Los átomos se representan así: (puede que nos encontremos el número atómico y la masa cambiada, pero simepre sabremos cual es uno y cual es otro porque la masa atómica siempre será mayor que el número atómico). Ej.:
,
Para un mismo elemento químico, el número de protones que tienen sus átomos en sus núcleos es el mismo, pero no el de neutrones, el cual puede variar. Se llaman Isótopos de un elemento químico a los átomos deun mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico pero distinto número de electrones. Ej.:
Isótopos del Hidrógeno: (protón), (deuterio), (titrio)
Esto es opuesto a lo que afirmaba Dalton, ya que creía que lo característico de los átomos de un mismo elemento químico era su masa atómica . Pero no, lo característico es su número atómico, es decir, todos los átomos de un mismo elemento químico siempre tienen igual número de protones en sus núcleos, pero pueden tener distinto número de neutrones, y por tanto diferentes masas atómicas.
Los isótopos son los responsables de que la masa de los elementos químicos en el sistema periódico no sea un número entero, ya que la masa que presentan las tablas periódicas es una masa resultante de promediar las masas de los diferentes isótopos existentes de un mismo elemento.
Los átomos son neutros, pues el número de cargas positivas es igual al número de cargas, es decir, el número de electrones es igual al número de protones.
Puede ocurrir que el átomo pierda o gane electrones (nunca que pierda o gane protones pues esto acarrearía la transformación de ese átomo en otro átomo de un elemento químico diferente), adquiriendo carga eléctrica neta y dando lugar a un ión:
• Si pierde electrones, adquiere carga eléctrica positiva y el ión se llama catión.
• Si gana electrones, adquiere carga eléctrica negativa y el ión se llama anión.
b) Corteza atómica.-
NÚMEROS CUÁNTICOS
La situación de los electrones, su nivel de energía y otras características se expresan mediante los números cuánticos. Estos números cuánticos, que se fueron introducinedo como postulados a partir de las modificaciones introducidas en el modelo de Böhr para explicar los fenómenos experimentales, se pueden deducir teóricamente al resolver la ecuación de onda Shrödinger.
Cada electrón dentro de un átomo viene identificado por 4 números cuánticos:
• Número cuántico principal. Se reperesenta por la letra n.
Nos da idea del nivel de energía y el volumen real del orbital. Puede tomar los valores:
n=1, 2, 3, 4, ...
(K, L, M, N,...)
• Número cuántico secundario o azimutal. Se representa por la letra l.
Determina la forma del orbital. Puede tomar los valores:
l=0, 1, 2, 3, ...,n-1
(s, p, d, f,...)
O sea,
Para n=1 ® l=0 (s)
n=2 ®
n=3 ®
n=4 ®
...
• Número cuántico magnético. Se representa por la letra m.
Nos indica la orientación que tiene el orbital al someter el átomo a un campo magnético fuerte (efecto Zeeman).
Puede tomar los valores:
m=-l,...,0,...,+l
O sea,
Para l=0 ® m=0
l=1 ®
l=2 ®
l=3 ®
Cada valor de m es un orbital. En cada orbital caben como máximo 2 electrones.
Aspectos espaciales de los orbitales atómicos.-
• Los orbitales s (l=0) son esféricos. Su volumen depende del valor de n.
• Los orbitales p son 3, tienen forma de 2 lóbulos unidos por los extremos y orientados en la dirección de los 3 ejes del espacio.
•
• Los orbitales d son 5, cuya disposición y orientación dependen de los valores de m.
•
•
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Se entiende por configuración electrónica la distribución más estable, y por tanto, más probable de los electrones en torno al núcleo.
Para distribuir los electrones en los distintos niveles de energía tenemos en cuenta los siguientes pricipios y reglas:
• Principio de relleno o Aufbau. Los electrones entran en el átomo en los distintos orbitales de energía ocupando primero los de menor energía.
Para saber el orden de energía de los orbitales se usa el diagrama de Mouller.
O Bien se sigue esta regla: "Los orbitales menos energéticos son los de menor valor de n+l. Si los orbitales tienen el mismo valor de n+l, tandrá menos energía los de menor valor de n".
De acuerdo con estas reglas el orden es el siguiente:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s
Sin embargo, este orden teórico presenta algunas excepciones. Por ejemplo, en las configuraciones de los lantánidos, aunque en teoría los orbitales 4f son más energéticos que los 5d, en realidad el átomo coloca primero un electrón en el 5d que entonces se vuelve más energético, y empieza a rellenar los 4f.
• En cada orbital sólo caben 2 electrones. Por tanto, la capacidad de los distintos subniveles son:
Subnivel Nº de orbitales Electrones por orbital Número de electrones
s 1
(l=0) * 2 2
p 3
(l=-1,0,+1) * 2 6
d 5
(l=-2+1,0,1,2) * 2 10
f 7
(l=-3,-2,-1,0,1,2,3) * 2 14
El número de electrones que caben en cada sunivel se puede tambien facilmente mediante la fórmula 2(2l+1) y el de cada nivel mediante la fórmula 2n2.
• Principio de exclusión de Pauli. No pueden existir dentro de un átomo dos electrones con sus 4 números cuánticos iguales. La consecuencia de esto es que en un orbital sólo puede haber 2 electrones con spines diferentes.
• Principio de Hund o de máxima multiplicidad. Un segundo electrón no entra en un orbital que esté ocupado por otro mientras que haya otro orbital desocupado de la misma energía (o sea, igual los valores de n y l)
La Teoría Cuántica es uno de los pilares fundamentales de la Física actual. Recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX para dar explicación a procesos cuya comprensión se hallaba en conflicto con las concepciones físicas vigentes. Su marco de aplicación se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica, en la física de nuevos materiales, en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica, en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano. La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista: describe la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, sin especificar cuándo ocurrirá. A diferencia de lo que ocurre en la Física Clásica,
1. MODELO CIENTÍFICO.-
Supongamos que nos dan una caja cerrada que no nos está permitido abrir y que contiene algo en su interior. Como no la podemos abrir, tendremos que recurrir a hacer una serie de pruebas o ensayos para averiguar lo que contiene: agitarla, pesarla, ... Con los datos obtenidos podremos forjar una idea, una imagen mental, sobre el contenido de la caja. Por otra parte, la idea o modelo que imaginamos nos permitirá formular predicciones: si, por ejemplo, concluimos que se trata de un líquido, podremos predecir que al hacerle un agujero, tal líquido se derramará.
Una idea o teoría sobre la naturaleza de un fenómeno para explicar hechos experimentales constituye lo que en ciencias se denomina modelo científico.
Un ejemplo de modelo científico es el modelo atómico. Nadie ha visto nunca un átomo. Es más, la propia ciencia predice que nunca se podrá ver. Sin embargo, observando una serie de fenómenos en el comportamiento de la materia es posible desarrollar una serie de ideas de como será la estructura de la materia.
2. EVOLUCIÓN DE LOS MODELOS ATÓMICOS.-
Demócrito, filosofo griego, fueron probablemente los primeros en creer que la materia estaba constituida por partículas que denominaron átomos, palabra que significa "sin división", ya que consideraban el átomo como único e indivisible. Se basaba, no en pruebas experimentales, sino en un razonamiento que puede sintetizarse así: un trozo de metal puede cortarse en 2 pedazos y cada uno de éstos en dos pedazos más...; estos pueden dividirse sucesivamente hasta llegar a un momento en que se obtenga una partícula que ya no sea posible dividirla: el átomo. Pensaba que los átomos tendrían formas y tamaños distintos: esféricos ,cilíndricos, irregulares...
Empédocles, otro filósofo griego, no creía en tal teoría y postulaba la idea de que la materia estaba constituida por 4 elementos que se combinaban entre sí. Según él, la vida sólo era posible donde había humedad: una flor sin agua se muere; luego el primer elemento era el agua. Pero el agua no es sólida, se escapa de las manos. Una montaña no puede estar formada de agua y necesita, por tanto, otro elemento que le dé consistencia, solidez. La tierra fue el segundo elemento de que habló Empédocles, pues, a su juicio, daba consistencia al agua. Sin embargo, el barro que resultaba de esta mezcla era muy blando. Creyó entonces que quien le daba dureza era un tercer elemento, el aire, pues seca o evapora el agua que contienen las cosas. Por último, Empédocles consideró el fuego como 4º elemento.
Posteriormente transcurre un largo período en la historia de la Química, la Alquimia, donde la preocupación primordial es tratar de convertir los metales conocidos en oro.
Hacia el 1800, el profesor inglés John Dalton recogió la idea del átomo que dio el filosofo Demócrito, si bien esta vez basándose en métodos experimentales. Mediante el estudio de las leyes ponderales, concluye que:
• la materia está constituida por partículas indivisibles (átomos),
• todos los átomos de un mismo elemento químico son iguales,
• los átomos de elementos diferentes son también diferentes.
Modelo atómico de Thompson.-
En 1897 Joseph John Thompson realiza una serie de experimentos y descubre el electrón. En tubos de gases a baja presión en los que se establece una diferencia de potencial superior a 10.000 voltios, se comprobó que aparecían partículas con carga eléctrica negativa a las que se llamó electrones, y demostró que habían sido arrancados de los átomos (los cuales eran neutros). Tal descubrimiento modificó el modelo atómico de Dalton, que lo consideraba indivisible. Thompson supuso el átomo como una esfera homogénea e indivisible cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones.
Modelo atómico de Rutherford
Posteriormente otro físico inglés, Ernest Rutherford, realizó una serie de experimentos. Hizo incidir sobre una lámina finísima de oro un delgado haz de partículas cargadas positivamente de masa mucho mayor que el electrón y dotadas de energía cinética alta. En el choque observó distintos comportamientos:
• la mayoría atravesaban la lámina sin desviarse
• algunas se desviaban
• muy pocas retrocedían
Esta experiencia implicaba:
• que los átomos estaban casi vacíos, pues la mayoría de las partículas las atravesaban
• que hay una zona cargada positivamente, ya que algunas partículas retrocedían o se desviaban. Esta zona debe estar muy concentrada ya que es mayor el número de desviaciones que de choques.
Esto le condujo a proponer en 1911 un nuevo modelo atómico en el que se afirmaba que los átomos estaban constituidos por 2 zonas bien diferenciadas:
• Una de carga positiva con el 99,9% de la masa muy concentrada y por tanto de gran densidad a la que llamó núcleo.
• Otra rodeando al núcleo a la que llamó corteza donde estaban los electrones con carga negativa girando alrededor del núcleo.
Sin embargo, el modelo de Rutherford presentaba fallos:
• Según la teoría clásica de electromagnetismo, una partícula eléctrica acelerada emite energía. Y el electrón girando el torno al núcleo está sometido a una aceleración centrípeta por lo que irradiaría energía, perdería velocidad y, por fin, caería al núcleo desestabilizando el átomo. Pero como el átomo de hecho es estable, las cosas no pueden ocurrir según el modelo de Rutherford.
• No explicaba los espectros
Radioactividad
Radioactividad es la propiedad que presentan los núcleos atómicos de ciertos isótopos de modificar espontáneamente su constitución, emitiendo simultáneamente una radiación característica.
La radioactividad puede ser:
• Radioactividad natural: Es la que manifiestan los isótopos que se encuentran en la naturaleza.
• Radiactividad artificial o inducida: Es la que ha sido provocada por transformaciones nucleares artificiales.
Radiactividad natural
En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro.
Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.
El estudio del nuevo fenómeno y su desarrollo posterior se debe casi exclusivamente a los esposos Curie, quienes encontraron otras sustancias radiactivas como el torio, polonio y radio. La intensidad de la radiación emitida era proporcional a la cantidad de uranio presente, por lo que dedujo Marie Curie que la radiactividad era una propiedad atómica
El fenómeno de la radiactividad se origina exclusivamente en el núcleo de los átomos radiactivos. Y la causa que lo origina se cree que es debida a la interacción neutrón-protón del mismo.
Al estudiar la radiación emitida por el radio se comprobó que era compleja, pues al aplicarle un campo magnético parte de ella se desviaba de su trayectoria y otra parte no.
Se comprobó que dicha radiación consta de 3 partes:
• Radiación a : Identificada con núcleos de Helio ( ), constituidos por dos protones y dos neutrones. Por tanto, poseen dos cargas positivas y son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Es poco penetrante aunque muy ionizante.
• Radiación b : Son electrones resultantes de la desintegración de los neutrones del núcleo:
neutrón® protón + electrón + neutrino
Debido a su carga es desviada por campos eléctricos y magnéticos. Es más penetrante, aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de la radiación a .
• Radiación g : No es corpuscular como las 2 anteriores, sino de naturaleza electromagnética. Al no tener carga, los campos eléctricos y magnéticos no la afectan. Es la más penetrante, y muy peligrosa.
Las leyes de desintegración radiactiva, descritas por Soddy y Fajans, son:
• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula a , la masa del átomo resultante disminuye en 4 unidades y el número atómico en 2.
• Cuando un átomo radiactivo emite una partícula b , la masa del átomo resultante no varía y su número atómico aumenta en una unidad.
• Cuando un núcleo exitado emite una radiación g no varía ni su masa ni su número atómico, solo pierde una cantidad de energía hv.
Las dos primeras leyes nos indican que cuando un átomo emite una radiación a o b se transforma en otro átomo de un elemento diferente. Este nuevo elemento puede ser radiactivo, transformándose en otro, y así sucesivamente, dando lugar a las llamadas series radiactivas.
Radiactividad artificial.
Se produce la radiactividad inducida cuando se bombardean ciertos núcleos estables con partículas apropiadas.
Si la energía de estas partículas tiene un valor adecuado penetran dentro del núcleo bombardeado y forman un nuevo núcleo que, en caso de ser inestable, se desintegra después radiactivamente.
Fue descubierta por los esposos Curie, bombardeando núcleos de boro y aluminio con partículas a . Observaron que las sustancias bombardeadas emitían radiaciones después de retirar el cuerpo radiactivo emisor de las partículas a de bombardeo.
El estudio de la radiactividad permitió un mayor conocimiento de la estructura del núcleo atómico y de las partículas subatómicas. Se abre la posibilidad de convertir unos elementos en otros. Incluso el sueño de los alquimistas de transformar otros elementos en oro se hace realidad, aunque no resulte rentable.
ESPECTROS ÓPTICOS.-
Cuando se hace pasar la radiación emitida por un cuerpo caliente a través de un prisma óptico, se descompone en distintas radiaciones electromagnéticas dependiendo de su distinta longitud de onda (los distintos colores de la luz visible, radiaciones infrarrojas y ultravioleta) dando lugar a un espectro óptico. Todas las radiaciones obtenidas impresionan las películas fotográficas y así pueden ser registradas.
Cada cuerpo caliente da origen a un espectro diferente ya que esta depende de la propia naturaleza del foco.
Los espectros pueden ser de emisión y absorción. A su vez ambos se clasifican en continuos y discontinuos:
• ESPECTROS DE EMISIÓN: Son aquellos que se obtienen al descomponer las radiaciones emitidas por un cuerpo previamente exitado.
- Los espectros de emisión continuos se obtienen al pasar las radiaciones de cualquier sólido incandescente por un prisma. Todos los sólidos a la misma Temperatura producen espectros de emisión iguales.
Espectro continuo de la luz blanca
- Los espectros de emisión discontinuos se obtienen al pasar la luz de vapor o gas exitado. Las radiaciones emitidas son características de los átomos exitados.
Espectro de emisión de vapores de Li
• ESPECTROS DE ABSORCIÓN: Son los espectros resultantes de intercalar una determinada sustancia entre una fuente de luz y un prisma
- Los espectros de absorción continuos se obtienen al intercalar el sólido entre el foco de radiación y el prisma. Así, por ejemplo, si intercalamos un vidrio de color azul quedan absorbidas todas las radiaciones menos el azul.
- Los espectros de absorción discontinuos se producen al intercalar vapor o gas entre la fuente de radiación y el prisma. Se observan bandas o rayas situadas a la misma longitud de onda que los espectros de emisión de esos vapores o gases.
Espectro de absorción de vapores de Li
Se cumple así la llamada ley de Kirchhoff, que dice:
Todo cuerpo absorbe las mismas radiaciones que es capaz de emitir.
TEORÍA DE PLANCK
En 1900 emitió una hipótesis que interpretaba los resultados experimentales satisfactoriamente como los cuerpos captaban o emitían energía.
Según Planck, la energía emitida o captada por un cuerpo en forma de radiación electromagnética es siempre un múltiplo de la constante h, llamada posteriormente constante de Planck por la frecuencia v de la radiación.
e =nhv
h=6,62 10-34 J•s, constante de Planck
v=frecuencia de la radiación
A hv le llamó cuanto de energía. Que un cuanto sea más energético que otro dependerá de su frecuencia.
Modelo atómico de Bohr.-
Para salvar los inconvenientes del modelo anterior, N Bohr estableció una serie de postulados (basados en la teoría de Planck y los datos experimentales de los espectros) que constituyen el modelo atómico de Bohr:
• Admitió que hay ciertas órbitas estables en las cuales los electrones pueden girar alrededor del núcleo sin radiar energía. Deduce que sólo son posibles aquellas órbitas en las que el momento angular del electrón es múltiplo entero de
.
Introduce un número n, llamado número cuántico principal, que da nombre a las distintas órbitas del átomo.
• El electrón, cuando emite energía cae de una órbita a otra más próxima al núcleo. Lo contrario ocurre si capta energía.
Como según la teoría electromagnética una carga acelerada tiene que irradiar energía, no puede haber ningún orbital permanente. Por eso, Bohr argumentaba que no se podía perder energía continuamente, sino en cuantos (de acuerdo con la teoría de Planck) equivalentes a la diferencia de energía entre las órbitas posibles.
Cuando a un átomo se le suministra energía y los electrones saltan a niveles más energéticos, como todo sistema tiende a tener la menor energía posible, el átomo es inestable y los electrones desplazados vuelven a ocupar en un tiempo brevísimo (del orden de 10-8) el lugar que dejasen vacío de menor energía, llamados niveles energéticos fundamentales.
Así pues, ya tenemos una explicación de los espectros atómicos con el modelo de Bohr. Cuando un átomo es exitado por alguna energía exterior, algún electrón absorbe dicha energía pasando de un nivel energético fundamental a niveles de energía superior. Como, según Planck, la absorción de energía está cuantizada, la diferencia de energía entre ambos niveles será hv. El electrón absorbe solo una radiación de frecuencia v determinada mayor cuanto mayor sea el "salto" del electrón.
Así, en el espectro de absorción aparecerá una banda continua con algunas rayas negras que corresponderán a aquellas frecuencias determinadas que los electrones han captado para pasar de un nivel a otro más energético.
Como el átomo exitado es inestable, en un tiempo brevísimo el electrón desplazado volverá al nivel energético fundamental, emitiendo una energía de la misma frecuencia hv que absorbió anteriormente.
Así, el espectro de emisión del elemento estará formado por líneas definidas, situadas en la misma longitud de onda que el espectro de emisión, separadas por zonas oscuras.
Ello explica por que los espectros de los vapores o gases (en los que nos encontramos los átomos o moléculas aislados sin interaccionar entre sí) son discontinuos.
Es un hecho experimental que cada elemento químico tiene su espectro atómico característico.
Fue a partir de las series del hidrógeno, de las frecuencias de las distintas radiaciones emitidas, de donde Bohr dedujo los niveles de energía correspondientes a las órbitas permitidas. Sin embargo, al aplicar esta distribución de los niveles energéticos a otros elementos no se correspondían esos cálculos teóricos con los resultados experimentales de los espectros, que eran muchos más complejos. Incluso el mismo átomo de Hidrógeno con espectroscopios más precisos producía líneas que con el modelo de Bohr no se podía explicar.
Corrección de Somerfield.-
Al perfeccionarse los espectroscopios (aparatos que muestran los espectros) se observó que las líneas del espectro del hidrógeno eran en realidad varias líneas muy juntas. Y lo que Bohr Creyó que eran estados únicos de energía eran varios estados muy próximos entre sí.
Sommerfield lo interpretó diciendo que las órbitas podían ser elípticas. Para ello introdujo un nuevo número cuántico l, también llamado número azimutal, que puede valer:
l=0,1,...,(n-1)
Este número nombra a cada uno de los niveles de energía posibles para cada valor de n. Con Sommerfield, para determinar la posición del electrón en el átomo de hidrógeno hay que dar 2 números cuánticos l y m.
Efecto Zeeman.-
Cuando se obtiene el espectro del átomo de hidrógeno mientras el gas está dentro de un campo magnético se observa un desdoblamiento de las líneas que analizó Sommerfield. Cada una de estas líneas se desdoblaba en varias. Este fenómeno desaparecía al desaparecer el campo magnético por lo que no se debe a que existan nuevos estados distintos de energía del electrón, sino que está provocado por la interacción del campo magnético externo y el campo magnético que crea el electrón al girar en su órbita.
Este problema se solucionó pensando que para algunas de las órbitas de Sommerfield existen varias orientaciones posibles en el espacio que interaccionan de forma distinta con el campo magnético externo. Para ello se creo un nuevo número cuántico magnético, que vale para cada valor de l:
m=-l,...,-1,0,1,...,+l
Para determinar pues la posición del electrón en el átomo de hidrógeno hay que dar 3 números cuánticos: n, l, m.
Efecto Zeeman anómalo.-
Al perfeccionar los espectroscopios y analizar los espectros obtenidos por el efecto Zeeman, se comprobó que cada línea era en realidad dos líneas muy juntas. Esto se llamó efecto Zeeman anómalo, y si desaparecía el campo magnético externo también desaparecía este efecto.
Se explicó admitiendo que el electrón puede girar sobre sí mismo y hay dos posibles giros, que interaccionaban de forma distinta con el campo magnético externo y que por eso cada línea se desdoblaba en 2. Se creó un nuevo número cuántico s, o número de spin (giro), al que se le dio 2 valores, uno para cada sentido:
s=+1/2,-1/2
Para describir la posición de un electrón se necesitan 4 números cuánticos: (n,l,m,s).
Sin embargo, todo lo anterior sólo era útil para el átomo de hidrógeno, pues su aplicación en la descripción de otros átomos fracasó.
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE
Principio enunciado en 1927 por el alemán Werner Heisenberg según el cual no puede ser conocida con exactitud y simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de un electrón..
Este principio tiene su origen en la mecánica cuántica según la cual el mismo hecho de medir la velocidad o la posición de un electrón implica una imprecisión en la medida
Por ejemplo, en el caso de que pudiéramos "ver" un electrón u otra partícula subatómica, para poder medir la velocidad habría que iluminarlo. Pues bien, el fotón que ilumina a ese electrón modifica la cantidad de movimiento del mismo. Por tanto, modificaría su velocidad original que es lo que queríamos medir.
DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO
Al igual que el átomo, la luz ha sido motivo de estudio del hombre desde hace mucho tiempo, debido a su afán de comprender mejor las cosas que le rodean.
Ya 500 años antes de Jesucristo, Pitágoras afirmaba que la luz está formada por partículas que fluyen en línea recta y a gran velocidad del propio cuerpo luminoso que captan nuestros ojos.
Más tarde, Aristóteles sostuvo que la luz se propaga desde el cuerpo hasta el ojo, análogamente a como el sonido parte del cuerpo y llega al oído por vibraciones del aire.
Newton (1642-1727), se opuso tenazmente a esta teoría ondulatoria y fue partidario de la teoría corpuscular, cuya idea coincidía con la de Pitágoras. Esta teoría explica bien la reflexión (la luz se refleja en un espejo de modo análogo como una bola de billar rebota en la banda de la mesa). La refracción de la luz, aunque con más dificultades es también explicada, pero otros fenómenos como la polarización y la difracción no encuentran respuestas.
Para otros, partidarios de la teoría ondulatoria de Huyghens (1629-1695), la luz está formada por vibraciones del éter. Sin embargo, pese a que esta explica perfectamente fenómenos como la polarización y la defracción, el gran prestigio de Newton, hizo que la teoría corpuscular prevaleciera durante todo el siglo XVIII.
Hasta el siglo XIX los físicos estaban divididos sobre la naturaleza de la luz. En 1815, el inglés Maxwell dedujo teóricamente que la velocidad de las ondas electromagnéticas era la misma que la de la luz. Este hecho le sugirió la idea de que la luz debía estar formada por vibraciones electromagnéticas de frecuencia elevada que no necesitan ningún medio material para propagarse. Según esta teoría no era necesaria la existencia del hipotético éter y la luz entraba a formar parte de las radiaciones electromagnéticas. Esto supuso un golpe de muerte para la teoría corpuscular.
Cuando parecía que el modelo ondulatorio de Huygens había logrado dar una explicación exacta sobre la naturaleza de la luz, los experimentos de Hertz en el año 1887 vienen a introducir un nuevo problema: el efecto fotoeléctrico: cuando se ilumina una superficie metálica con una radiación de frecuencia adecuada se produce una emisión de electrones. La teoría ondulatoria no da explicación suficiente del efecto fotoeléctrico, ya que según la misma la energía transportada por una onda es independiente de su frecuencia, mientras que la experiencia nos demuestra que por debajo de cierta frecuencia el efecto fotoeléctrico no se produce.
La explicación del efecto fotoeléctrico fue dada por A. Einstein, basándose en la Teoría de Planck. Para Einstein, si la energía es emitida o absorbida de manera discontinua mediante cuantos de energía (como sostenía Planck) es porque la misma naturaleza de la luz (la energía radiante) es discontinua y está formada por paquetes de energía hv a los que llamó fotones, de modo que actúan de manera similar a los corpúsculos de Newton.
Se permaneció así, con un doble carácter corpuscular y ondulatorio, que prevalecía uno sobre otro según qué fenómeno se tratase, hasta que en 1923 Luis de Broigle acabó con las discrepancias y estableció la dualidad onda-corpúsculo. Según Broigle, el fotón puede ser considerado como un corpúsculo que parte del cuerpo luminoso y que en su rápido movimiento origina una onda electromagnética (cuya longitud de onda dedujo: l =h/mv), convertiendose así en un corpúsculo-onda, del mismo modo que al avanzar rápido un proyectil origina un movimiento periódico que nosotros percibimos como sonido. Del mismo modo que electrón transporta su campo eléctrico, cada cuanto de radiación transporta consigo un fenómeno periódico que se extiende por el espacio circundante. Por consiguiente, la aparente contradicción sobre la doble naturaleza de la luz cesa desde el momento en que la energía radiante constituida a la vez por ondas y corpúsculos, indisolublemente asociados. Porque entonces se concibe sin dificultad que el carácter ondulatorio se manifiesta más especialmente en ciertos fenómenos, mientras que en otros prevalece el carácter corpuscular.
Modelo mecanocuántico del átomo.-
Una de las consecuencias deducidas del Principio de Indeterminación de Heisenberg es que la interacción entre los aparatos de medida y los objetos de la medición hace imposible determinar simultáneamente y con precisión la posición y la velocidad del electrón. De aquí se sigue la imposibilidad de hablar de trayectorias: una trayectoria significa el conocimiento de la posición de una partícula en cada instante, y de la velocidad correspondiente a cada posición. Con este punto de vista, los modelos de Bohr y Sommerfield, muy intuitivos, han de parecer forzosamente limitados. En 1924 el francés Luis de Broigle amplía al electrón (y a otras partículas) la noción de dualidad onda-corpúsculo, según la cual el electrón lleva asociada una onda electromagnética de longitud l =h/mv. La hipótesis ondulatoria de la materia y el principio de indeterminación, alteraron los conceptos de posición, velocidad y orbital electrónico. Nació así un nuevo dominio de la física, la mecánica cuántica, que explica coherentemente los fenómenos del microcosmos.
En 1926 el austríaco Schrödiger basándose en la hipótesis de De Broigle y la idea de órbitas permitidas de Bohr, supone que esas órbitas debían de contener un número entero de longitudes de onda lo que daría origen a una onda estacionaria. Considerar una onda asociada al electrón explicaría la razón de ser de los orbitales posibles que Bohr estableció como postulado, cuya circunferencia sería un múltiplo de la longitud de onda de los electrones.
El estado de un electrón de obtendría mediante la ecuación que Shröringer postula en 1926. Teniendo en cuenta el principio de incertidumbre dichas ecuaciones no se pueden resolver, pero se obtienen la llamada función de onda (Y ), aproximación de carácter estadístico que nos permite deducir para cada nivel de energía la probabilidad de que los electrones estén en una u otra situación. Las órbitas electrónicas quedan sustituidas por zonas del espacio en la que existe el 99% de encontrar al electrón, a la que llamamos orbitales.
3. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO.-
a) Núcleo atómico.
Tiene un tamaño diminuto respecto al volumen del átomo.
P. ej., para el átomo de Al:
Con Rutherford sólo se sabía que tiene carga eléctrica positiva. Hoy en día se sabe que, con el excepción que el átomo de hidrógeno (que sólo tiene un protón), los núcleos atómicos contienen una mezcla de protones y neutrones, colectivamente llamados como nucleones. El protón tiene la misma carga que el electrón pero positiva. El electrón es de tamaño similar, pero eléctricamente neutro. Ambos tienen una masa de 1 UMA. Los protones y los neutrones en el núcleo atómico se mantienen unidos por la acción de la fuerza nuclear fuerte, que supera a la fuerza de repulsión electromagnética mucho más débil que actúa entre los protones de carga positiva.
La corteza del átomo está formada por unas partículas llamadas electrones y de masa 1/1836 UMA, por lo que al ser tan pequeña se desprecia. Como el átomo es neutro debe haber el mismo número de electrones que de protones.
Al número de protones se le llama Z o número atómico, y se corresponde con el número de orden en el sistema periódico.
Como el átomo es eléctricamente neutro debe haber el mismo número de protones que de electrones.
Al número de neutrones se llama N
La masa atómica (A) de un átomo será la suma de los protones y de los neutrones (ya que la del electrón por ser muy pequeña se desprecia).
A=N+Z
Los átomos se representan así: (puede que nos encontremos el número atómico y la masa cambiada, pero simepre sabremos cual es uno y cual es otro porque la masa atómica siempre será mayor que el número atómico). Ej.:
,
Para un mismo elemento químico, el número de protones que tienen sus átomos en sus núcleos es el mismo, pero no el de neutrones, el cual puede variar. Se llaman Isótopos de un elemento químico a los átomos deun mismo elemento químico que tienen el mismo número atómico pero distinto número de electrones. Ej.:
Isótopos del Hidrógeno: (protón), (deuterio), (titrio)
Esto es opuesto a lo que afirmaba Dalton, ya que creía que lo característico de los átomos de un mismo elemento químico era su masa atómica . Pero no, lo característico es su número atómico, es decir, todos los átomos de un mismo elemento químico siempre tienen igual número de protones en sus núcleos, pero pueden tener distinto número de neutrones, y por tanto diferentes masas atómicas.
Los isótopos son los responsables de que la masa de los elementos químicos en el sistema periódico no sea un número entero, ya que la masa que presentan las tablas periódicas es una masa resultante de promediar las masas de los diferentes isótopos existentes de un mismo elemento.
Los átomos son neutros, pues el número de cargas positivas es igual al número de cargas, es decir, el número de electrones es igual al número de protones.
Puede ocurrir que el átomo pierda o gane electrones (nunca que pierda o gane protones pues esto acarrearía la transformación de ese átomo en otro átomo de un elemento químico diferente), adquiriendo carga eléctrica neta y dando lugar a un ión:
• Si pierde electrones, adquiere carga eléctrica positiva y el ión se llama catión.
• Si gana electrones, adquiere carga eléctrica negativa y el ión se llama anión.
b) Corteza atómica.-
NÚMEROS CUÁNTICOS
La situación de los electrones, su nivel de energía y otras características se expresan mediante los números cuánticos. Estos números cuánticos, que se fueron introducinedo como postulados a partir de las modificaciones introducidas en el modelo de Böhr para explicar los fenómenos experimentales, se pueden deducir teóricamente al resolver la ecuación de onda Shrödinger.
Cada electrón dentro de un átomo viene identificado por 4 números cuánticos:
• Número cuántico principal. Se reperesenta por la letra n.
Nos da idea del nivel de energía y el volumen real del orbital. Puede tomar los valores:
n=1, 2, 3, 4, ...
(K, L, M, N,...)
• Número cuántico secundario o azimutal. Se representa por la letra l.
Determina la forma del orbital. Puede tomar los valores:
l=0, 1, 2, 3, ...,n-1
(s, p, d, f,...)
O sea,
Para n=1 ® l=0 (s)
n=2 ®
n=3 ®
n=4 ®
...
• Número cuántico magnético. Se representa por la letra m.
Nos indica la orientación que tiene el orbital al someter el átomo a un campo magnético fuerte (efecto Zeeman).
Puede tomar los valores:
m=-l,...,0,...,+l
O sea,
Para l=0 ® m=0
l=1 ®
l=2 ®
l=3 ®
Cada valor de m es un orbital. En cada orbital caben como máximo 2 electrones.
Aspectos espaciales de los orbitales atómicos.-
• Los orbitales s (l=0) son esféricos. Su volumen depende del valor de n.
• Los orbitales p son 3, tienen forma de 2 lóbulos unidos por los extremos y orientados en la dirección de los 3 ejes del espacio.
•
• Los orbitales d son 5, cuya disposición y orientación dependen de los valores de m.
•
•
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Se entiende por configuración electrónica la distribución más estable, y por tanto, más probable de los electrones en torno al núcleo.
Para distribuir los electrones en los distintos niveles de energía tenemos en cuenta los siguientes pricipios y reglas:
• Principio de relleno o Aufbau. Los electrones entran en el átomo en los distintos orbitales de energía ocupando primero los de menor energía.
Para saber el orden de energía de los orbitales se usa el diagrama de Mouller.
O Bien se sigue esta regla: "Los orbitales menos energéticos son los de menor valor de n+l. Si los orbitales tienen el mismo valor de n+l, tandrá menos energía los de menor valor de n".
De acuerdo con estas reglas el orden es el siguiente:
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s
Sin embargo, este orden teórico presenta algunas excepciones. Por ejemplo, en las configuraciones de los lantánidos, aunque en teoría los orbitales 4f son más energéticos que los 5d, en realidad el átomo coloca primero un electrón en el 5d que entonces se vuelve más energético, y empieza a rellenar los 4f.
• En cada orbital sólo caben 2 electrones. Por tanto, la capacidad de los distintos subniveles son:
Subnivel Nº de orbitales Electrones por orbital Número de electrones
s 1
(l=0) * 2 2
p 3
(l=-1,0,+1) * 2 6
d 5
(l=-2+1,0,1,2) * 2 10
f 7
(l=-3,-2,-1,0,1,2,3) * 2 14
El número de electrones que caben en cada sunivel se puede tambien facilmente mediante la fórmula 2(2l+1) y el de cada nivel mediante la fórmula 2n2.
• Principio de exclusión de Pauli. No pueden existir dentro de un átomo dos electrones con sus 4 números cuánticos iguales. La consecuencia de esto es que en un orbital sólo puede haber 2 electrones con spines diferentes.
• Principio de Hund o de máxima multiplicidad. Un segundo electrón no entra en un orbital que esté ocupado por otro mientras que haya otro orbital desocupado de la misma energía (o sea, igual los valores de n y l)
La Teoría Cuántica es uno de los pilares fundamentales de la Física actual. Recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX para dar explicación a procesos cuya comprensión se hallaba en conflicto con las concepciones físicas vigentes. Su marco de aplicación se limita, casi exclusivamente, a los niveles atómico, subatómico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. Pero también lo es en otros ámbitos, como la electrónica, en la física de nuevos materiales, en la física de altas energías, en el diseño de instrumentación médica, en la criptografía y la computación cuánticas, y en la Cosmología teórica del Universo temprano. La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilista: describe la probabilidad de que un suceso dado acontezca en un momento determinado, sin especificar cuándo ocurrirá. A diferencia de lo que ocurre en la Física Clásica,
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