DIAPOSITIVAS PARA INFORMÁTICA

QUÍMICA 1 POR

José María León Torres y Eduardo Urban Flores

IMPORTANCIA DE LA QUÍMICA EN EL MUNDO ACTUAL

Actualmente la química tiene gran relevancia por el avance científico y tecnológico que tienen las civilizaciones presentes, y se ha convertido en una ciencia muy común entre los individuas. Todo lo que nos rodea está constituido por sustancias químicas. Por medio de la química, la medicina ha conseguido avances notables, como la erradicación de muchas enfermedades mortales. La química es la ciencia que trata de la naturaleza y composición de la materia y de los cambios que esta experimenta. Su estudio es muy importante para el ser humano, ya que se aplica a todo lo que nos rodea, desde lo mas sencillo como lápices, gomas, hasta lo mas complejo como botes o casas, en fin a absolutamente todo lo que nos rodea en el mundo.

GRANDES MOMENTOS EN EL DESARROLLO DE LA QUÍMICA

Grecia.Anaxímenes de Mileto, postuló que el aire podría ser comprimido y

originar una materia solida, por tanto, el elemento básico, podría ser el aire.

Empédocles, se planteo ¿Por qué solo un elemento básico?, podrían ser varios, aire, agua, fuego y añadió tierra.

Cultura Helénica.Bolos de Méndez, planteo la transmutación de un metal a otro para

obtener oro. Con esta búsqueda se descubrieron aleaciones como la unión de cobre y zinc.

Dominación árabe.Siglo VII, En esta época surgió el termino alquimia y se mantuvo

así hasta 1600. Se enriqueció el vocabulario químico con términos como: álcali, alcohol, nafta, circón, etc.

Alberto Magno, fue el primer alquimista europeo que descubrió el arsénico, aunque en forma impura.

PASOS DEL MÉTODO CIENTÍFICO

La química se desarrolla día tras día. En la antigüedad, la química solo usaba sus hallazgos empíricos sin entender el principio de estas observaciones.

La expresión del método científico se usa con diferentes significados y, a menudo, se abusa de ella parta justificar una determinada posición personal o social con relativo desconocimiento de la complejidad del concepto.

El método deductivo, el método inductivo y el método hipotético-deductivo son los 3 métodos científicos a que se refiere la denominación genérica del método científico.

La primera característica del método científico es su naturaleza convencional; servir de marco de generación del conocimiento objetivo. Por ello existen múltiples características en función de la perspectiva con que se clasifique, se estudien o se denominen

IDENTIFICACIPON DE PROBLEMAS Y FORMACION DE PREGUNTAS DE

CARÁCTER CIENIFICOEl razonamiento constituye un estricto proceso de deducción,

proceso del que están excluidos la imaginación y el pensamiento intuitivo.

La identificación del problema es la pregunta científica por resolver, se expresa mejor con una pregunta abierta.

Para encontrar la solución de esos problemas, la actividad científica ha establecido procedimientos adecuados y establece continuamente otros nuevos. Entre ellos se encuentran los experimentos que nos informan exacta y complejamente como es posible.

En términos generales, por problema entendemos cualquier dificultad que no se pueda resolver de manera automática, es decir, con la sola acción de nuestros reflejos intuitivos y condicionados, o mediante el recuerdo de los que hemos aprendido con anterioridad.

FORMULACIÓN DE LA HIPOTESIS

Es la explicación que nos damos ante el hecho observado. Su utilidad consiste en que nos proporcionan una interpretación de los hechos de que disponemos, interpretación que debe ser puesta a prueba por observaciones y experimentos posteriores. Las hipótesis no deben ser tomadas nunca como verdaderas, debido a que un mismo hecho observado pueda explicarse mediante numerosas causas. La finalidad de una buena hipótesis consiste solamente en darnos una explicación para estimularnos a hacer mas experimentos.

EXPERIMENTACÓN

Una ves que se tenga clara la hipótesis, debes diseñar la forma en que vas a demostrarla. Es decir, tienes que diseñar un experimento en el que puedas probar tu hipótesis. Lo anterior se conoce como plan de investigación o procedimiento experimental. Al diseñar un experimento es importante conocer lo que son variables y controles. Para que un experimento te dé las respuestas en las que puedas confiar debe tener un control, es el punto de referencia neutral para poder comparar el efecto de los cambios que se hacen en el experimento.

COMUNICACIÓN DE LAS CONCLUSIONESSe concluye finalmente aprobando o desechando o invalidando

la hipótesis formulada y dando un resumen final de lo obtenido.

A continuación se presenta un ejemplo de las etapas del método científico en un problema sencillo.

a) Observación: Aparición del arco iris después de la lluvia.b) Problema: ¿A que se debe la aparición del arco iris?c) Formulación de la hipótesis: El arco iris es la

descomposición de la luz blanca por las gotas de agua.d) Objetivo: Conocer la composición del color. Comprobación

de la hipótesis por medio de la reproducción de un fenómeno natural en el laboratorio.

e) Diseño del experimento: Se simula la luz solar con un foco de luz blanca y las gotas de lluvia con un prisma, se alinean ambos objetos hasta que reproduzcan el fenómeno.

Y después de estos procedimientos se realiza el experimento, se obtienen y manejan los resultados y por ultimo se llega a las conclusiones.

PROPIEDADES DE LA MATERIA: EXTENSIVAS E INTENSIVAS, FÍSICAS Y QUÍMICAS

MATERIA.La química es la ciencia que trata de la naturaleza y

composición de la materia y de los cambios que esta experimenta.

Definida de una manera amplia, la materia es cualquier sustancia que tenga masa y ocupe un espacio.

De acuerdo con la física relativista, la materia tiene cuatro manifestaciones en el universo: masa, energía, espacio y tiempo.

La ley de la gravedad de Newton afirma que todos los objetos del universo atraen a los demás objetos con una fuerza, llamada “gravedad” que depende de la masa de cada objeto.

Aunque sus propias leyes sugirieron otra cosa, Newton creyó hasta su muerte que era posible encontrar por medición el sitio exacto de la superficie terrestre donde algo sucedía, y establecer con precisión el intervalo entre dos sucesos separados. Consideró que para lograrlo solo necesitaría reglas bastante extensas y relojes totalmente exactos, Newton llamaba a esas medidas espacio absoluto y tiempo absoluto.

Einstein sugirió otro modelo nuevo y mas exacto para descubrir lo que sucede en el mundo real.

PROPIEDADES FUNDAMENTALES DE LA MATERIA

Las propiedades de una sustancia se pueden dividir en dos clases. Una de ellas depende de la materia en si y la otra depende, principalmente, del comportamiento de esa materia en presencia de otra. A la primera clase de propiedades se le llaman PROPIEDADEES FÍSICAS, por ejemplo, el color, la temperatura. Las propiedades físicas se pueden dividir en dos grupos, LAS PROPIEDADES EXTENSIVAS Y LAS INTENSIVAS.

PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA

Estas propiedades, también llamadas extensivas, son aditivas y se encuentran presentes en todas las sustancias, pues dependen de la cantidad de masa que poseen. Ejemplos: la mas, el peso, la inercia, la longitud, el volumen, la divisibilidad, etc., las cuales no nos sirven de mucho para identificar una sustancia. La propiedad mas importante de la materia es la masa, ya que forma parte de su definición.

La masa es una medida cuantitativa de las propiedades inerciales intrínsecas de un objeto, es decir, la tendencia de un objeto a permanecer en reposo si se encuentra quieto, o a continuar moviéndose, si se encuentra en movimiento.

PROPIEDADES INTENSIVAS DE LA MATERIA

Las propiedades especificas o intensivas son aquellas que sirven para diferenciar a una sustancia de otra. Su valor es especifico y no depende de la cantidad de masa que se estudia.

Cada muestra de una sustancia, sin importar su tamaño, tiene la misma densidad en todas sus partes. Otras propiedades intensivas son maleabilidad, ductilidad, conductividad, calor especifico, temperatura de fusión, temperatura de ebullición, viscosidad, color, textura, solubilidad, dureza, brillo, etc.

ENLACE QUIMICOLa mayoría de los átomos tienden a combinarse para formar

moléculas diatómicas o poliatómicas, aunque ciertos elementos no muestran afinidad hacia otros átomos y constituyen moléculas monoatómicas, como en el caso de los gases nobles.

Cuando los atomos se unen para formar moleculas, hay un intercambio de electrones de valencia, esto es, de los electrones de la capa mas externa de cada atomo. Esta union, que es la mas estable, se logra por que los atomos ganan, pierden o comparten electrones, y la atraccion resultante entre los atomos participantes recibe el nombre de enlace quimico.

El enlace se define como la fuerza que mantiene unidos a dos o mas átomos, condicionado por la cantidad de energía contenida en ellos, que debe ser suficiente para vencer las fuerzas de repulsión.

L. C. Pauling dio la siguiente definición, “La fuerza de enlace entre los átomos, es de una magnitud tal que conduzca a la formación de un agregado de estabilidad suficiente que garantice su consideración como una especie molecular independiente”.

Existen interacciones en las sustancias comunes como el agua, el dióxido de azufre, el metano, el octano, el etanol, y desde luego también están presentes en las moleculas de los seres vivos. Las fuerzas que dan origen a los enlaces químicos se han clasificado en dos grandes grupos: interacciones fuertes o fuerzas intramolares y interacciones débiles o fuerzas intermoleculares. En el enlace quimico la configuración electrónica del nivel mas externo de los atomos tiene un papel importante

REGLA DEL OCTETO

La regla del octeto dice que los atomos de los elementos representativos forman enlaces de tal manera que tengan acceso a exactamente a 8 electrones s y p externos. Los atomos de los elementos del sistema periódico tienden a completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de electrones tal que adquieran configuración semejante a la de un gas noble.

Como la configuración electrónica de los gases nobles en s2p6 con un tal de ocho electrones, los otros elementos ganarán o perderán electrones hasta quedar con esa cantidad en su capa externa. Lo anterior se realiza de la siguiente manera:

Un metal no puede perder de uno a tres electrones para formar un catión con la estructura del gas noble que lo antecede en la tabla.

Un no metal puede ganar de uno a tres electrones para formar un anión con la estructura del gas noble siguiente.

Los atomos, pueden compartir electrones con otros atomos para alcanzar el numero de electrones del gas noble siguiente en la tabla.

ESTRUCTURAS DE LEWIS

El enlace de los elementos representativos se enfoca principalmente a los electrones de valencia, que son las subcapas s y p externas. El quimico norteamericano Gilbert N. Lewis propuso representar los electrones de valencia por cruces o puntos a fin de visualizar como se transfieren o comparten los electrones en un enlace quimico cuando los atomos se unen. Estos se colocan alrededor del símbolo del elemento. Dado que el enlace de estos elementos entraña el acceso a 8 electrones, los electrones se representan mediante uno o dos puntos en los 4 lados del símbolo del elemento.

Aunque los electrones de valencia provienen de dos diferentes subcapas, solo el numero total de estos electrones es importante para cuestiones de enlaces. Primero es conveniente colocar un electrón de cada lado del símbolo y después representar pares de electrones. Se recomienda seguir los siguientes pasos.

Se escribe el símbolo del elemento que representa el núcleo y todos los electrones, excepto aquellos en su ultimo nivel de capa o valencia.

Se escribe la configuración electrónica del elemento. Se seleccionan los electrones que están en el ultimo nivel energético.

Cada lado del símbolo representa un orbital. Es importante recordar cuales electrones están pareados y cuales no lo están.

DISTINTOS TIPOS DE FORMULAS

Formula molecular o condensada:Indica la clase y el numero de átomos que

constituyen la molécula de un compuesto. Ejemplos: Acido nítrico HNO3 Acido clorhídrico HCl.

Formula semidesarrollada:Expresa por medio de grupos o radicales los

átomos que forman la molécula. Este tipo de formula es el mas adecuado para estudiar los compuestos orgánicos, ejem.

Etano CH3 Acido acético CH3COOH

ENLACE IONICO Y SUS PROPIEDADES

Los compuestos iónicos en estado solido no conducen la corriente eléctrica, debido a que los iones no pueden migrar. Sin embargo, cuando se funden o disuelven en agua, si conducen electricidad. La conductividad eléctrica requiere del transporte de las cargas; al disolverse en agua estas sustancias, sus iones se separan y pueden moverse en forma independiente. Lo mismo sucede en los sólidos iónicos fundidos, cuando los iones dejan de tomar posiciones definidas en el cristal tienen libertad de movimiento y, bajo la influencia de un campo eléctrico, conducen la corriente.

La molécula de cloruro de sodio no puede determinarse, ya que no hay tal molécula, es mejor hablar de la red cloruro de sodio, un empaquetamiento cubico perfecto donde hay un numero igual de iones sodio que de iones cloro.

Algunos ejemplos de las sustancias que presentan este tipo de enlaces son las sales inorgánicas y los óxidos inorgánicos que contienen un metal y un no metal.

ENLACE COVALENTE

El enlace covalente se produce de la compartición de uno o mas pares de electrones entre los átomos que se unen. Este modelo de enlace se utiliza para explicar la unión de los elementos clasificados como no metales. Cuando la diferencia de electronegatividades entre dos o mas átomos es cero o tiene un valor muy pequeño, estos átomos tienden a compartir los electrones de valencia de sus capas externas. Este modelo se conoce como enlace covalente y a la compartición de dos electrones corresponde a la formación de un enlace.

Este enlace se lleva a cabo entre elementos de alta electronegatividad, es decir, entre no metales y siempre por compartición de pares de electrones. Se distinguen tres tipos de covalencia: polar, no polar y coordinada. Cuando se presenta una simple covalencia entre dos átomos es por compartición de un par de electrones, pero si son dos pares de electrones los que se comparten, entonces será una doble covalencia y se puede presentar hasta una triple.

MODELO DE REPULSIÓN DE PARES ELECTRONICOS EN LA CAPA DE VALENCIA

(RPECV)

Una primera aproximación para predecir la geometría de las moléculas las propuso, en 1940, N. V. Sidgwick y H. M. Powell. Posteriormente está teoría la ampliaron R. J. Gillespie y R. N. Nyholm en 1957. Esta teoría se conoce comúnmente como Repulsión de Pares Electrónicos en la Capa de Valencia y se aplica solo al enlace covalente.

Según este modelo la geometría de una especie está determinada principalmente por las interacciones repulsivas que se producen entre los pares de electrones de la capa de valencia. Así, tenemos que la mayoría de las moléculas tienen formas que derivan de cinco geometrías básicas distintas. 2 pares electrónicos se acomodan en el espacio linealmente en un ángulo de 180°, de tal forma que aumente al máximo la distancia entre ellos. Con este mismo criterio, 3 pares de electrones se distribuyen bajo la forma geométrica de un triangulo, 4 en forma de tetraedro, 5 en la figura de una bipirámide triangular y 6 en un octaedro.

Para aplicar el método RPEVC a las moléculas primero se debe dibujar la estructura de Lewis de la molécula para determinar el numero de pares de electrones que tan alrededor del átomo central. Después se procede a acomodar los pares de electrones enlazantes de forma que exista la misma separación entre ellos, para que sea mínima la repulsión.

En la molécula de BeF2, el átomo central es el Be y tiene dos pares de electrones enlazantes a su alrededor. Estos pares se colocan en lugares opuestos del átomo central, de manera que el ángulo de separación sea el máximo posible, en este caso es de 180° y los 3 se colocarían de forma lineal.

ENLACE COVALENTE POLAREs aquel que se realiza entre dos no metales

diferentes, el par de electrones del enlace está distribuido de manera asimétrica entre los átomos, lo cual trae como consecuencia la formación de un dipolo. Esta polaridad se indica entre los símbolos: δ+ y δ, que es una forma de identificar al átomo con carga parcial positiva y al átomo con carga parcial negativa. Cuando dos átomos no metálicos de diferente electronegatividad se unen, comparten electrones pero la nube electrónica se deforma y se ve desplazada hacia el átomo de mayor electronegatividad, originando polos en las moléculas, uno con carga parcialmente positiva y otro con negativa.

Enlace covalente no polar, puro u homopolar: Este tipo de enlace se tiene cuando dos átomos de un mismo elemento se unen para formar una molécula verdadera, sin carga eléctrica, simétrica y cuya diferencia de electronegatividad es 0.

Enlace covalente coordinado: Cuando el par de electrones que forma el enlace covalente es donado por uno solo de los átomos, se denomina enlace covalente coordinado. Una ves formado este enlace no se puede distinguir del resto de los enlaces covalentes que forman la molécula.

PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS COVALENTES

Así como las sustancias iónicas poseen varias propiedades características, en el caso de los compuestos covalentes es difícil establecer en forma categórica estas propiedades.

El enlace covalente se presenta en la mayoría de los compuestos orgánicos y en muchos inorgánicos. Se encuentra en gases, líquidos y sólidos. Estos últimos pueden presentar puntos de fusión muy bajos, como en el caso de la parafina y la naftalina .

De acuerdo con el tipo de enlace químico covalente presente en las sustancias se tienen las siguientes propiedades para cada uno de ellos:

Propiedades de los compuestos con enlace covalente polar:

Moléculas que existen en los tres estados físicos de agregación de la masa.

Gran actividad química. Solubles en disolventes polares. En disolución acuosa son conductores de la

electricidad. Sus puntos de fusión y ebullición son bajos, pero mas

altos que los de las sustancias no polares. Presentan puntos de fusión y ebullición bajos, pero

mayores que los de las sustancias formadas por moléculas no polares de magnitud parecida. Son solubles en líquidos polares

Propiedades de los compuestos con enlace covalente no polar:

Moléculas verdaderas y diatómicas (con dos átomos).

Actividad química media. Baja solubilidad en agua. No conducen el calor o la electricidad. Estado físico gaseoso, aunque pueden existir como

sólidos o líquidos. Son sustancias gaseosas o muy volátiles, como por

ejemplo; H2, O2, Cl2, N2. Algunos presentan puntos de fusión

enormemente elevados. Sin cuerpos muy duros. Insolubles en casi todos los disolventes. Ejemplos: Carbono (diamante), Carburo de silicio (SiC), Dióxido de silicio (SiO2)

TEORIA DEL MAR DE ELECTRONES

Los cristales de los metales se caracterizan por presentar el llamado “brillo metálico”, alta comunidad eléctrica y térmica, y por la facilidad con que pueden ser estirados, forjados y doblados sin romperse.

Los electrones de valencia están localizados en todo el cristal, de tal manera que este enlace se considera como una serie de iones positivos rodeados por un “mar” de electrones móviles. La alta conductividad eléctrica de los metales se explica fácilmente, considerando que sus electrones de valencia se encuentran libres para moverse cuando se les aplica un potencial eléctrico.

La realidad nos muestra que la mayoría de los metales son maleables (forman laminas) y dúctiles (forman cables), lo que indica que sus átomos pueden deslizarse uno sobre otro. Este desplazamiento no produce grandes fuerzas repulsivas, por que el mar móvil de electrones proporciona una amortiguación constante entre los iones positivos.

Los metales se disuelven en otros metales formando mezclas homogéneas llamadas aleaciones. A menudo, los metales puros son demasiado suaves para usos prácticos, como sucede con el aluminio; pero al mezclarlos con pequeñas cantidades de otros elementos adquieren fuerza y se modifican sus propiedades.

LOS ELECTRONES LIBRES Y LA ENERGIA DE IONIZACION

En el enlace metálico, a diferencia del covalente, los electrones de enlace no están sujetos a un par concreto de átomos, si no que se mueven libremente por todo el metal entre los iones positivos, formados al desprenderse dichos electrones de sus respectivos átomos y se constituye lo que denominamos mar de electrones de un metal. El transporte de energía eléctrica a través del metal no requiere solo de electrones libres, si no también necesita que se le aplique una fuerza que los obligue a desplazarse en una dirección.

TEORIA DE BANDASEsta teoría representa un modelo mas elaborado

para explicar la formación del enlace metálico.; se basa en la teoría de los orbitales moleculares, la cual establece que cuando dos átomos se enlazan, los orbitales de la capa de valencia se combinan para formar dos orbitales nuevos que pertenecen a toda la molécula, uno que se denomina enlazante (de menor energía) y otro antienlazante (de mayor energía). Si se combinan tres átomos se forman tres orbitales moleculares, con una diferencia de energía entre ellos menor que en el caso anterior

En los metales existe un numero muy grande de orbitales atómicos para formar enlaces deslocalizados que pertenezcan a toda la red metálica (como si fuese una gran molécula). Como el numero de orbitales moleculares es muy grande forman una banda en la que los niveles de energía, como se ha dicho anteriormente, están muy próximos.

En los metales se forman dos bandas. Una en la que se encuentran los electrones de la capa de valencia que se denomina “banda de valencia” y otra que se llama “banda de conducción” que es la primera capa vacía.

En los metales, la banda de valencia está llena o parcialmente llena; pero en estas sustancias, la diferencia energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula, es decir, están solapadas. Por ello, tanto si la banda de valencia está total o parcialmente llena, los electrones pueden moverse a lo largo de los orbitales vacios y conducir la corriente eléctrica al aplicar una diferencia de potencial.

En el caso de los aislantes la banda de valencia está completa y la de conducción vacía; pero a diferencia de los metales, no solapan sino que hay una diferencia de energía entre una y otra (una zona prohibida)por lo que no pueden producirse saltos electrónicos de una a otra.

CARACTERISTICAS QUE SE DERIVAN DEL ENLACE METALICO

Las propiedades del enlace metálico son las siguientes:

A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura ambiente. No obstantes, sus puntos de fusión son muy variables, aunque generalmente altos.

Son buenos conductores de la electricidad y del calor.

Presentan brillo característico. Son dúctiles y maleables. Presentan el llamado “efecto fotoeléctrico”. Se suelen disolver unos en otros formando

disoluciones que reciben el nombre de aleaciones.

Conocer las diferentes formas de interactuar que tienen los elementos entre si nos ha permitido, en años recientes, tener un notable desarrollo de nuevos materiales que se aplican en muchos ámbitos: alimentación, textiles, colorantes, agricultura, medicina, comunicaciones, vehículos, etc., lo cual nos proporciona mayor comodidad en nuestras actividades. Los notables avances de los viajes espaciales, para descubrir nuevas galaxias, planetas o estrellas, es sumamente interesante y motivador para seguir buscando nuevos materiales.