APUNTES DE QUÍMICA
PROFA. FULVIA
ANDRIÓN MSc.
CONTINUACIÓN DE LA MATERIA.
I. ELEMENTOS QUÍMICOS
A.
HISTORIA
Cada elemento químico se distingue de
los otros porque sus propiedades son diferentes; esas propiedades están dadas
por la forma como se encuentran constituidos.
Una propiedad común a todos los elementos es la reactividad química. Esta propiedad se refiere a la facilidad con
la que reacciona un elemento con otros elementos, por ejemplo, la rapidez con
que se oxidan. Algunos elementos se
oxidan muy fácilmente como el sodio y el potasio; en cambio el oro es muy
difícil de oxidar. Algunas propiedades
físicas de los elementos son el estado de agregación y el color. El estado de agregación se refiere al estado
físico. Por ejemplo, la gran mayoría de
los elementos se encuentran en estado sólido; ejemplos son, el oro, aluminio y
el hierro. Otros, se encuentran en
estado gaseoso: oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, flúor, cloro, helio, neón,
etc. Sólo cinco son líquidos: bromo,
cesio, francio, galio y mercurio. Existe
una amplia variedad de colores entre los elementos, que van desde incoloros,
como los gases oxígeno e hidrógeno, pasando por los amarillentos como el cloro;
los rojizos como el bromo y negro como el carbono.
Fig.
1: símbolo del flogisto.
De los más de 109
elementos que se encuentran clasificados hasta ahora, 92, existen en la
naturaleza; los demás son artificiales o sintéticos, es decir, se han obtenido
por métodos artificiales. Los elementos
después del elemento 92, el uranio, se llaman transuránicos.
1.
Alquimistas. Para comunicarnos en forma efectiva
los seres humanos utilizamos el lenguaje que es comprendido fácilmente tanto
por el que lo emite como por el que lo recibe.
El lenguaje de la Química ha tenido un desarrollo paralelo al de sus
descubrimientos y aplicaciones. Los
primeros que utilizaron los símbolos en sus escritos sobre sus experimentos
fueron los alquimistas; y así fue como
inventaron una serie de misteriosos símbolos, tomados la mayoría de la
mitología griega y de la astrología. Por
ejemplo, el hierro, se representaba como la lanza y el escudo de Marte; el oro
se simbolizaba con el sol. El cobre, como
el espejo de Venus. Estos símbolos eran
difíciles de interpretar, además de que un mismo elemento recibía varios
símbolos, como el mercurio que llegó a tener 20 símbolos diferentes.
Al difundirse la Alquimia en Europa en
la E. Media, estos símbolos terminaron perdiéndose entre los símbolos
personales que se crearon con el fin de ocultar su significado en los textos
sobre Alquimia y darles su carácter mágico y misterioso.
Fig.
2: símbolos de los alquimistas.
Conforme pasaba el tiempo, los
científicos que estudiaban la naturaleza se dieron cuenta de que era muy
importante escribir el resultado de sus experimentos para que otras personas
pudieran entenderlos.
Sulfuro de mercurio (I)
Sulfuro de mercurio (II)
Sulfuro de mercurio (III)
Fig. 3: símbolos alquimistas
2.
John Dalton. El primero en desarrollar un sistema práctico
fue John Dalton en 1809, quien se convenció de que cualquier reacción química
podía presentarse por medio de figuras.
Trató de unificar los símbolos de salmonera, que con una sola
representación se entendiera de qué elemento se trataba, para ello representó
con círculos diferentes a cada elemento y con la unión de círculos los
compuestos. Vea la figura 4.
Fig. 4: Símbolos de John Dalton
En 1814, Jöns Jacob Berzelius, químico sueco contemporáneo de Dalton, ideó
un sistema más sencillo y empezó utilizando la primera letra mayúscula del
nombre del elemento como símbolo; por ejemplo para el oxígeno, O, para el
hidrógeno, H. Y para el carbono, C. Pero, como existen varios elementos cuyo
nombre empieza con la misma letra, Berzelius determinó usar dos letras para
esos casos. La primera letra debe ser
mayúscula y la segunda minúscula. Para
algunos elementos, los símbolos que se utilizan hoy día están relacionado con
su nombre en latín o en griego; de esta forma los nombres de la plata, cobre,
hierro, oro, potasio y sodio se originan respectivamente de los términos
latinos, argentum, cuprum, ferrum, aurum, kalium y natrium. Para escribir el nombre de algunos elementos,
Berzelius escogió los nombres de estos en latín y algunos otros del
alemán. Otros elementos descubiertos
posteriormente recibieron nombres de acuerdo con el lugar de origen de sus descubridores
o en honor de algún científico.
En la actualidad, la Unión
Internacional de Química Pura y Aplicada, IUPAC, según sus siglas en inglés, es
el organismo encargado de reglamentar la forma de escribir los símbolos de los
elementos descubiertos, darle nombre y símbolos. Ha establecido reglas:
0 = nil 1 = un
2 = bi 3 = tri 4 = quad
5 = pent 6 = hex 7 = sept
8 = oct 9 = enn
Estas raíces se unen entre sí en
el mismo orden en que se presentan los dígitos en el número atómico, añadiendo
la terminación io. Se evitará redundancias,
tales como nnn e ii.
El símbolo del elemento estará
constituido por las tres letras iniciales de las raíces numéricas que componen
su nombre: Ejemplo:
Número atómico Nombre Símbolo
104 Unnilquadio Unq
110 Ununnilio Uun
120 Unbinilio Ubn.
II. ENERGÍA
Al correr, caminar, bailar o
pensar se usando energía. Todos los
cambios y transformaciones que ocurren en la naturaleza están acompañados por
cambios de energía. La energía se define
como la
capacidad para efectuar un trabajo o para transferir calor. Se realiza trabajo cuando se mueve una masa a
través de una distancia. Los tipos
principales de energía son: energía mecánica, energía calorífica, energía
eléctrica, energía química y energía luminosa o radiante. Esto no significa que existen varios tipos de
energía. La energía es única pero sus
formas de manifestarse son diversas.
Fig. 5: fuentes de energía
La energía puede clasificarse en
energía no renovable (primaria) y no renovable (secundaria), de acuerdo a la
forma de obtenerla. La energía no
renovable se obtiene en forma directa o después de un proceso de extracción. Ejemplos son la leña, el petróleo, carbón, gas
natural, una caída de agua. La energía
no renovable o energía secundaria, se obtiene de las fuentes primarias en
centros de transformación. Algunos
ejemplos son la gasolina, el queroseno, el diesel, la electricidad.
Existe otra clasificación de la
energía: Potencial y cinética. La energía
potencial es energía poseída por un objeto, debido ya sea a su
movimiento o a su posición, así, el agua de una represa posee capacidad de
generar energía cinética y eléctrica.
Los compuestos químicos poseen capacidad de producir energía calorífica,
como en la combustión. Las sustancias
radiactivas tienen capacidad de generar energía calórica y eléctrica. La energía de movimiento se denomina energía
cinética. Energía potencial es
la energía que posee un objeto no por su movimiento, sino por su posición.
Fig. 6 transformaciones de la energía
Una roca que descansa en la cima
de una montaña tiene energía potencial debido a su posición. Si la roca rueda por la montaña, la energía
potencial se convierte en energía cinética.
El agua almacenada en un depósito tiene energía potencial. Cuando el agua sale de un dique, la energía
potencial se convierte en energía cinética.
La comida que comes tiene energía potencial almacenada en sus enlaces
químicos. Cuando digieres los alimentos,
conviertes su energía potencial en energía cinética para realizar un trabajo
biológico.
A. Formas de
energía:
Hay muchas formas de energía que incluyen energía
eléctrica, energía radiante como la luz, energía mecánica, energía química y
energía nuclear. En una planta
eléctrica, la energía proveniente de la quema de combustibles fósiles, como el
gas natural o carbón, se usa para producir vapor, que hace girar las turbinas y
genera energía eléctrica. En las casas,
la energía eléctrica se convierte en energía luminosa cuando se enciende un
foco, en energía mecánica cuando se usa una batidora o una lavadora, y en calor
cuando se usa una secadora de pelo o un tostador. En nuestro cuerpo, la energía química de la
química que ingerimos se convierte en energía mecánica cuando se usan los músculos,
por ejemplo, para pedalear una bicicleta, correr un maratón o podar el pasto
/B.
Transformación de energía mecánica en energía
calorífica:
Fig. 7: transformación de la energía potencial en diferentes tipos de
energía
La energía calorífica es la energía que
se transfiere desde una sustancia a otra cuando existe una diferencia de
temperatura entre ellas y está asociada con el movimiento al azar de partículas
de materia muy pequeñas. La cantidad de
energía que un objeto gana o pierde se mide en calorías (cal) o joules
(J). Aunque el SI (Sistema
Internacional), reconoce el Joule como una unidad de energía calorífica.
Algunos científicos como Galileo,
Newton, Lavoisier, etc., afirmaron que el calor de un cuerpo puede deberse al
movimiento de sus cuerpos: a su energía cinética interna.
Benjamín Rumford, que trabajaba en el arsenal de Múnich, observó que
el calor producido por las balas en el interior de cañón aumentaba a medida que
el rozamiento era mayor. Para demostrar
la relación entre el rozamiento y la cantidad de calor que se producía, construyó
una máquina que transmitía el movimiento de unos caballos a un taladro en el
interior de un cañón, consiguiendo que el calor producido hiciera hervir el
agua de una vasija colocada encima, ante la admiración de todos los que lo
vieron. De esta forma Rumford demostró
que el calor se había producido a partir del trabajo de los caballos.
Algún tiempo después Joule (1818
– 1896), físico inglés, discípulo de John Dalton, realizó una serie de
experiencias sobre el calor. A partir de
estas experiencias, estableció la teoría de que el calor es una forma de energía
de los cuerpos. Joule inició sus
trabajos con motores eléctricos (en aquella época empezaba a conocerse la
electricidad), efectuando transformaciones entre las energías eléctrica,
mecánica y calorífica. Después
prescindió de la electricidad y transformó la energía mecánica en calorífica,
realizando medidas de ambas. Para ello
ideó una serie de experimentos que le dieron mucho mérito a su persona.
El calor es la energía que fluye
de un objeto más caliente a uno más frío.
Una pizza congelada se siente fría porque el calor fluye de la mano a la
pizza. Una taza de café caliente se
siente caliente porque el calor fluye del café a la boca. El calor se asocia con el movimiento de
partículas. Cuanto más rápido se mueven
las partículas, mayor es el calor o energía térmica de la sustancia. En la pizza congelada las partículas se
mueven muy lentamente. Conforme la pizza
se cocina, se transfiere calor, aumenta el movimiento de las partículas y la
pizza se calienta. Finalmente, las
partículas tienen suficiente energía para dejar la pizza caliente y lista para
comerse.
Energía y
cambio químico:
En el transcurso de la mayor
parte de las reacciones químicas, la energía potencial de las sustancias
participantes disminuye. O sea, los
compuestos de alta energía se transforman en compuestos de baja energía. Cuando esto sucede, se libera energía hacia
el entorno, generalmente en forma de calor.
Por lo contario hay reacciones que necesitan de energía para
proceder.
La energía potencial almacenada
en el azúcar y otros alimentos se libera cuando las células vivas utilizan el
alimento mediante un proceso conocido como metabolismo. Este complejo proceso se puede resumir así:
el azúcar se combina con oxígeno para producir dióxido de carbono, agua y
energía. De esta forma, se libera cierta
energía cuando las moléculas de azúcar y oxígeno de alta energía se transforman
por medio de reacciones químicas, en las moléculas de dióxido de carbono y agua
de baja energía.
Una reacción que libera energía
calorífica es una reacción exotérmica.
Cuando se utiliza el término exergónica, se indica que también se puede
liberar energía en otras formas distintas del calor. Cuando se incorpora o se absorbe calor u
otras formas de energía durante las reacciones, éstas se denominan reacciones
endotérmicas y endergónicas, respectivamente.
III. Leyes que rigen las transformaciones de la
materia y la energía.
En los primeros años del s. XIX,
Dalton sabía de ciertas observaciones experimentales. Antoine Lavoisier advirtió que si se efectuaba
un cambio en un espacio cerrado, la masa de los materiales presentes antes del
cambio es igual a la masa de los materiales presentes después del cambio. Encontró que todos los cambios químicos
realizados, la masa permanecía constante.
Postuló la ley: “la materia no puede crearse ni destruirse,
pero puede alterarse”. Este
enunciado significa que, en las reacciones químicas ordinarias, la materia
puede experimentar muchos cambios, pero no se crea ni se destruye. Actualmente esta ley se conoce como Ley
de la conservación de la masa.
La ley de la conservación de la
energía establece
que la energía siempre se conserva: “la
cantidad total de energía es igual antes y después de una transformación”. Este enunciado significa que la cantidad
total de energía del universo debe permanecer constante. La energía no se crea ni se destruye. Sólo cambia de forma. Sin embargo, el brillante trabajo de Einstein
afirmó que la materia puede transformarse en energía y la energía en
materia. Einstein expresó esta relación
en la forma de su ahora famosa ecuación: E = mc2.
Según la ecuación de Einstein, la
masa y la energía son equivalentes. Por
tanto las dos leyes realmente son una sola e idéntica: La ley de la conservación de la
masa – energía. A esta nueva ley
de la conservación en ocasiones se le conoce como Ley de la conservación de la
materia y de la energía. Puede
enunciarse así: la materia y la energía siempre se conservan. Sus totales no pueden aumentar o disminuir. Sin embargo pueden transformarse una en otra.
El trabajo de otro químico
francés, Joseph Proust, también llamó la
atención a Dalton. Proust, observó que
las sustancias específicas siempre contienen la misma proporción en masa de sus
elementos. Por ejemplo, la sal de mesa
está constituida por sodio y cloro. La
relación entre las masas de sodio y cloro de cualquier muestra de sal pura
siempre es igual. No importa la
procedencia de la muestra, cómo se obtuvo, o qué tan grande es, la relación
entre la masa de sodio y cloro es la misma.
Este principio se conoce como Ley de las proporciones definidas o de la
composición constante. Un
ejemplo es: El azufre y el hierro se combinan para formar sulfuro de hierro
(II) en la siguiente proporción: 4 gramos de azufre por cada 7 gramos de
hierro.
Azufre
+ Hierro ----------------
Sulfuro de hierro
4 g 7 g 0 g Inicial
11
g Final
4
g
10 g 0 g Inicial
3 g 11
g Final
8 g 7 g
0 g Inicial
4
g 11
g Final
La explicación que Dalton dio a
estos hechos constituyen los principios de la teoría atómica moderna. Estableció que toda la materia está compuesta
por partículas muy pequeñas llamadas átomos y que estos átomos eran
indivisibles. En estos dos aspectos, la
hipótesis de Dalton se asemeja a la de Demócrito y Leucipo. Sin embargo, Dalton suponía que los átomos
eran más simples que las partículas de aire o roca y que los átomos de
diferentes elementos eran distintos.
Según Dalton, cada elemento estaba compuesto de átomos exactamente
iguales, pero totalmente diferentes de los átomos de todos los demás
elementos. Estableció que los átomos
pueden combinarse con otros elementos en proporciones simples para formar
compuestos.
Estos dos últimos enunciados son
la clave de la teoría atómica. Si los
átomos no pueden destruirse, entonces los átomos deben tener una distribución
muy simple en un cambio químico. El
número total y el tipo de átomos debían permanecer inalterados. Por tanto, la masa antes y después de la
reacción debe ser igual. Si los átomos
de un elemento siempre son iguales, entonces la masa de cada átomo de un cierto
elemento debe ser igual a la de otro átomo del mismo elemento.
Según Dalton, en la sal, cloruro
de sodio (NaCl), todos los átomos de sodio tienen la misma masa y todos los
átomos de cloro tienen la misma masa.
Cuando se combina un átomo de sodio con un átomo de cloro se forma
sal. Lo mismo sucede con cualquier otro
par de estos átomos. Dalton diría que
como todos los átomos de sodio tienen una masa igual y los átomos de cloro
tienen una masa igual, la relación entre las masas de sodio y de cloro debe ser
igual en cualquier muestra de sal. Este
mismo razonamiento sería aplicable a cualquier material. Los experimentos han demostrado que las
hipótesis de Dalton no son completamente correctas. No todos los átomos tienen la exactamente la
misma masa. Si se cambia la palabra
“masa” por “masa promedio” la hipótesis de Dalton cobra actualidad.
Dalton advirtió otra posibilidad
para su hipótesis. Estableció una
segunda ley que no fue resultado de datos experimentales. Si dos elementos se combinan para formar una
sustancia compuesta, la relación entre las masas de un elemento que se combinan
con una masa constante de otro elemento puede expresarse en números enteros y pequeños. Este enunciado es el de la Ley
de las proporciones múltiples.
¿Por qué estos números no son fraccionarios? Porque los átomos no pueden dividirse.
La teoría atómica y la ley de las
proporciones múltiples, tal como las enunció Dalton, se comprobaron y aceptaron
como correctas. Por décadas, todo el
trabajo científico se basó en la creencia de que los átomos eran
indivisibles. Sin embargo, en la
actualidad existen excepciones importantes de algunos enunciados de
Dalton. La excepción más sobresaliente
es que los átomos pueden dividirse en condiciones especiales. Sin embargo, la hipótesis de Dalton sigue
siendo vigente al establecer que los átomos son indivisibles en los cambios
químicos ordinarios. Ahora se sabe que
todos los átomos se componen de tres partículas fundamentes: electrones,
protones y neutrones.
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