ESTRUCTURA DE
LA MATERIA
UNIDAD I
CONTENIDO
Introducción. Importancia de la Química en la vida personal y profesional de un Ingeniero de cualquier especialidad. Propiedades de la materia: elementos compuestos y mezclas. Propiedades físicas y químicas. Cambios físicos y químicos. Propiedades intensivas y extensivas. Estructura atómica, partículas
elementales. Tabla periódica, propiedades.
Configuración electrónica y su relación con la posición que ocupa un elemento en la tabla periódica. Enlaces Químicos, tipos de enlaces: iónico y covalente, polar y no polar. Propiedades de las sustancias y su relación con el tipo de enlace que mantienen unidos a sus átomos. Nomenclatura de los compuestos inorgánicos.
MSc. Ing. Alejandra Escobar Gomes
Química General
QUÍMICA
GENERAL
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIEMTAL POLITECNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO BARQUISIMETO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
UNIDAD I. ESTRUCTURA DE LA METERIA
TEMA I. LA QUÍMICA Y SU IMPORTANCIA
La química es denominada la ciencia central. Basada en los fundamentos de la física y la matemática, sirve como base a las ciencias de la vida. La química es una ciencia activa y en continuo crecimiento; tiene una importancia fundamental para nuestro mundo, tanto en el ámbito de la naturaleza como de la sociedad.
La química está presente en cada momento de nuestra vida, desde que despertamos estamos en contacto con la química; por ejemplo la pila del despertador, el jabón, el champo, el desodorante, el gel para el cabello, el perfume, la pasta de dientes, el material del peine o el cepillo para el cabello, el teflón del sartén que utilizamos al preparar el desayuno, inclusive el aceite para freír unos huevos, el fósforo del cerillo con el que encenderemos el gas de la estufa, los tintes naturales y sintéticos que llenan de color los objetos que nos rodean y las ropas que vestimos, los equipos de tecnología que hacen que nuestras labores sean más cómodas y placenteras, el cuidado de nuestra salud, así como sensaciones, sentimientos (como el amor, miedo, tristeza, etc.) y enfermedades son el resultado de reacciones químicas.
La química es fascinante para muchas personas, aprender sobre el mundo que nos rodea puede conducirnos a invenciones interesantes y útiles y al desarrollo de nuevas tecnologías. La química es fundamental para la comprensión de muchos campos, por ejemplo la agricultura, la astronomía, la geología, la medicina, la bilogía molecular, la ciencia de los animales, la ciencia de los materiales, los nuevos métodos de fertilización, la medicina nuclear y radioactiva, las nuevas ciencias de genética, inclusive para aquellos campos en que aparentemente no hay relación con la química, como son la ingeniería civil, ingeniería eléctrica, ingeniería mecánica, ingeniería industrial, el diseño y la comunicación.
Aprender de los beneficios y riesgos asociados con los productos químicos nos ayuda a ser ciudadanos informados, capaces de resolver problemas de forma inteligente y de comunicarnos con otros de forma organizada y lógica. Estas habilidades son importantes y sirven en la vida cotidiana, los estudios y en el ejercicio de la carrera profesional, cualquiera que ésta sea.
Si buscamos en los libros e incluso en el diccionario la definición de química encontraremos lo siguiente “Química; es la ciencia que se dedica al estudio de la
composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia, en especial de los sistemas atómicos y moleculares”; algunos nos proporcionarán una definición más sencilla: “La
química es la ciencia que estudia la composición de la materia y de los cambios que
experimenta” o esta otra; “ Química; es la ciencia que estudia la composición y propiedades de la materia y sus transformaciones con intervención de la energía”.
Pero ninguna de estas definiciones nos dará una visión completa de lo que realmente es la química, porque tanto la química como la física constituyen una rama fundamental del conocimiento porque muchos de los procesos que tienen que ver con la transformación de la materia están asociados tanto a cambios químicos como físicos y viceversa, la química también tiene una estrecha relación con la biología, no sólo porque los organismos vivos están constituidos por sustancias materiales, sino también porque la vida misma es, en esencia un sistema complejo de procesos químicos interrelacionados, sin dejar de mencionar los procesos que se realizan dentro de nuestro propio organismo, pues al principio de este escrito se mencionó de nuestras sensaciones y sentimientos, las cuales suceden por la liberación de sustancias dentro de nuestro cuerpo que no son otra cosa sino el resultado de reacciones químicos.
La Química, las Ingenierías y la Industria
Se considera a la ingeniería como el área del quehacer humano encargada de transformar los descubrimientos científicos en aparatos, equipos, máquinas y dispositivos, además del desarrollo y proyección de sistemas que mejoren los procesos industriales. Así, los ingenieros, como la palabra lo dice, “con su ingenio”, son los encargados de aprovechar los descubrimientos científicos, y convertirlos en tecnología, entre otras cosas, que facilitan la vida del ser humano.
La formación académica de un ingeniero debe ser integral, es decir, debe tener conocimiento básico de las ciencias exactas, entre las que se encuentra pos supuesto la Química, la Física y las Matemáticas, a fin de que pueda comprender los cambios que ocurren en la naturaleza, como en los procesos industriales. Estos conocimientos le proporcionan las herramientas para optimizar procesos, explicar cambios químicos y físicos, crear y optimizar dispositivos en beneficio del hombre y la sociedad.
Como ejemplo podemos mencionar la relación de las ingenierías con la química; por mencionar algunas tenemos a la Ingeniería química; es una de las carreras más desafiantes y gratificantes sirve de base para la industria siderúrgica, petrolera, alimenticia y electrónica e impulsa la economía de un país. La formación de un ingeniero químico está fuertemente basada en la química, la física y las matemáticas e informática, nociones de economía y conocimiento de educación ambiental. La Ingeniería Química es la rama de la Ingeniería que se dedica al estudio, síntesis, desarrollo, diseño, operación y optimización de todos aquellos procesos industriales que producen cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales.
Una de las ingenierías que posee relación con la química es la Ingeniería Civil, para la cual una de las principales áreas de desarrollo es la industria de la construcción; donde es indispensable el uso de cementos y concretos de rápido fraguado, impermeables y que inhiban el crecimiento de bacterias. Las diferencias en las propiedades físicas y químicas de estos concretos y cementos dependen principalmente de su composición química.
También en el área de la construcción es importante conocer la resistencia a la corrosión de las estructuras metálicas, las cuales no son otra cosa que reacciones electroquímica.
La Ingeniería Mecánica, se encarga de diseñar, instalar y operar elementos mecánicos que se emplean en la industria de la transformación, por lo que se debe tener conocimientos de las propiedades físicas y químicas de los materiales las cuales dependen de su composición química, por otro lado los ingenieros mecánicos también diseñan y construyen equipos y dispositivos de la bioingeniería y el uso de biomateriales, también tiene relación con la industria minera, siderúrgica, petrolera y química, por lo que un Ingeniero mecánico debe tener conocimientos básicos de los conceptos empleados en Química.
El Ingeniero en Minas y Metalurgia se encarga del aprovechamiento óptimo de los recursos minerales, por lo que debe tener conocimientos de los análisis químicos, los cuales muchas veces las realiza en campo, para poder interpretar resultados de acidez, contenidos de carbonatos, sulfatos, comportamiento a la flama de ciertos minerales. Los resultados de los análisis químicos realizados en un laboratorio formal, le permite al ingeniero decidir si es rentable la explotación del mineral o el mejor método de extracción.
La principal actividad de un Ingeniero Petrolero es la dirección y ejecución de los procesos de extracción del petróleo (hidrocarburos) del agua y de energía geotérmica. Cuando se tiene la ubicación de un yacimiento de petróleo, se debe hacer un análisis, para decidir el mejor método de extracción, y durante el proceso hacer un análisis (monitoreo continuo) para determinar la composición (características físicas y químicas) de la mezcla.
Podría continuar mencionando a otras áreas de la ingeniería que tienen relación con la química, las cuáles son muchas, pero también es justo mencionar que la Química sin la ingeniería, tampoco se puede concebir, pues gracias a la ingeniería es que se han desarrollado equipos que permiten la realización de mejores y más completos análisis y el conocimiento de las estructuras moleculares de los nuevos materiales, sin el uso de la informática no se podrían desarrollar dispositivos de medición o de comunicación de los descubrimientos y avances de la aplicación de la química.
Para resumir, la Química y su relación con otras ciencias exactas como son la Física, Biología, y Matemáticas, así como de las ingenierías no son las únicas con las que se relaciona, también debemos mencionar que ciencias como la Arqueología, Historia, Literatura, la cultura y el ocio entre otros tiene un gran campo de desarrollo y aplicación de la química, lo que proporciona al hombre mejorar su calidad de vida y que ésta sea más confortable.
TEMA II. MATERIA
La Materia es todo aquello que posee masa y ocupa un lugar en el espacio, esto significa que es cuantificable, por lo tanto puede ser medida. Todo cuanto podemos imaginar, desde un libro, un auto, el computador y hasta la silla en que nos sentamos y el agua que bebemos, o incluso algo intangible como el aire que respiramos, está hecho de materia. Los planetas del Universo, los seres vivos como los insectos y los objetos inanimados como las rocas, están también hechos de materia. Todos los materiales que nos rodean tienen materia, esto significa que todo material posee masa y volumen.
La Masa es una medida de la cantidad de materia que hay en una muestra de cualquier material, simbolizada con la letra 𝒎. Su unidad en el sistema internacional es el kilogramo (𝑘𝑔). También es frecuente utilizar el gramo (𝑔) y el miligramo (𝑚𝑔). Para medir la masa se emplea la balanza, la cual es un instrumento que permite comparar la masa de un sistema material con la unidad de masa.
El Volumen es la cantidad de espacio que ocupa un determinado materia, simbolizado con la letra 𝑽. Su unidad en el sistema internacional es el metro cúbico (𝑚3). También es frecuente utilizar el litro (𝑙) y el mililitro (𝑚𝑙).
Estados de la Materia
Los materiales son, en general, las distintas formas en que la materia se presenta, sea cual sea su estado físico. La materia se clasifica en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, sólo algunas sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso del agua. La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido y el oxígeno o el 𝐶𝑂2 en estado gaseoso. Fuera de la Tierra existe un cuarto estado, conocido como plasma, que abunda en lugares como el Sol y las estrellas.
Estado Sólido: las sustancias son rígidas, tienen formas bien definidas y sus volúmenes son constantes. En algunos sólidos, denominados cristalinos, las partículas individuales que conforman el sólido ocupan posiciones definidas en la estructura cristalina.
Estado Líquido: las partículas individuales están confinadas en un volumen determinado, pero puede fluir y adoptar la forma del recipiente que lo contiene. A una temperatura dada, el volumen de un líquido es constante en práctica, puesto que los líquidos son ligeramente compresibles.
Estado Gaseoso: llenan por completo el recipiente que los contenga y adoptan la forma del mismo. Los gases pueden expandirse infinitamente y son fácilmente compresibles. Debido a esto, podemos decir que consta sobre todo el espacio vacío; es decir, que sus partículas están muy separadas.
Estado Plasmático: se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos. El plasma, es así, una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad.
Figura 1. Estados de la Materia
Clasificación de la Materia: Sustancias; Elementos y Compuestos, Mezclas
La materia la podemos encontrar en la naturaleza en forma de sustancias puras (elementos y compuestos) y de mezclas (homogéneas y heterogéneas).
Materia Sustancias Puras Elementos Compuestos Mezclas Homogéneas Heterogéneas Separación por métodos físicos Separación por métodos químicos
Sustancias Puras
Una sustancia pura están formadas por átomos o moléculas todas iguales, tienen propiedades específicas que las caracterizan y no pueden separarse en otras sustancias por procedimientos físicos. Las sustancias puras se clasifican en elementos y compuestos.
Elementos. Los elementos también pueden llamarse sustancias puras simples y están formados por una sola clase de átomos, es decir, átomos con el mismo número de protones en su núcleo y por lo tanto con las mismas propiedades químicas. Los elementos no pueden descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento. Son sustancias puras simples todos los elementos químicos de la tabla periódica. A las sustancias formadas por moléculas compuestas por átomos iguales también se les considera elementos, por ejemplo el oxígeno gaseoso, oxígeno molecular o dioxígeno.
Compuestos. Son sustancias formadas por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica en proporciones fijas. Una característica de los compuestos es que poseen una fórmula química que describe los diferentes elementos que forman al compuesto y su cantidad. Los métodos físicos no pueden separar un compuesto, éstos solo pueden ser separados en sustancias más simples por métodos químicos, es decir, mediante reacciones. Por ejemplo, el agua es una sustancia pura, pero si la sometemos a electrólisis la podemos separar en los elementos que la forman, el oxígeno y el hidrógeno.
Mezclas
Cuando unimos dos o más sustancias puras, sin que éstas lleguen a reaccionar, se obtienen las mezclas. Como no reaccionan una con otras, ellas conservan su identidad y propiedades químicas, es decir, no pierden sus propiedades y características por el hecho de mezclarse, porque al hacerlo no ocurre ninguna reacción química. La composición de las mezclas es variable, las sustancias que componen a una mezcla pueden presentarse en mayor o menor cantidad. Otra característica de las mezclas es que pueden separarse por métodos físicos. Las mezclas pueden clasificarse en homogéneas y heterogéneas.
Mezclas Homogéneas. También denominadas disoluciones. Tienen una apariencia totalmente uniforme por lo que sus componentes no pueden distinguirse a simple vista. Se dice que este tipo de mezclas tiene una sola fase. En química se denomina fase a una porción de materia con composición y propiedades uniformes. Por ejemplo, el agua de mar está formada por agua y muchas sales solubles, donde se observa una sola fase.
Mezclas Heterogéneas. Son aquellas que presentan una composición no uniforme, ya que sus componentes pueden distinguirse a simple vista, en otras palabras, se observan diferentes sustancias en la mezcla. Los componentes de este tipo de mezcla existen como regiones distintas que se llaman fases. Una mezcla heterogénea se compone de dos o más
fases. Si observas la piedra de granito, puedes ver zonas de distinto color que indican que la roca está formada de cristales de distintas sustancias.
Cambios Físicos y Químicos de la Materia
Es toda variación física o química que presenta un material, respecto a un estado inicial y un estado final. Así mediante el cambio se puede establecer las propiedades o características de la materia, antes y después del cambio.
Por ejemplo, al dejar una barra de hierro a la intemperie durante algún tiempo (estado inicial), al término de éste se observa un polvo rojizo la cubre, llamado oxido o herrumbre (estado final). Inmediatamente surge la pregunta ¿Qué ha ocurrido? Aparentemente ha habido un cambio; ¿Qué es lo que lo ha producido? Sencillamente el oxígeno del aire húmedo, ha oxidado el material el cual presenta características diferentes a las del estado inicial, pues da perdido el color y el brillo característico del metal. ¿Cómo podría catalogarse el cambio ocurrido al objeto en cuestión? Para contestar a esta a esta inquietud se debe estudiar los tipos de cambios que se conocen en la materia; los cuales son: cambios físicos y cambios químicos.
Cambios Físicos
Pueden definirse como aquellos cambios que sufre la materia en su forma, en su volumen o en su estado, sin alterar su composición o naturaleza. Así, si se calienta un bloque de hielo a determinada temperatura, este se licua, es decir, pasa al estado sólido al líquido modificando su forma y volumen pero conservando su naturaleza, pues antes del cambio se tenía agua sólida y después del cambio se tiene agua líquida; pero si se continua el calentamiento, finalmente se alcanzará la temperatura de ebullición y el agua pasa al estado de vapor conservándose inalterable en todos los casos, la composición de ésta.
Cambios Químicos
Estos conllevan una variación en la composición de la naturaleza de la materia, es decir a partir de una porción de material llamada reactivo, se obtiene un material distinto denominado producto, por medio de una reacción química y en la cual pueden influir diversos factores tales como la luz, presión, u otras sustancias reactivas. La formación del óxido de hierro sobre la barra de metal constituye un caso de cambio químico, puesto que el óxido de hierro (producto) no es el mismo que el hierro puro (reactivo).
Propiedades Intensivas y Extensivas de la Materia
La materia presenta diversas propiedades, que son cualidades o atributos de las sustancias, que permiten describirlos y compararlos con otro, algunas de ellas permiten diferenciarlos y caracterizarlos. Estas propiedades se clasifican en intensivas y extensivas.
Propiedades Intensivas
También denominadas propiedades características, las cuales dependen de la naturaleza de la sustancia y que permiten identificarlo. Estas propiedades no varían con la cantidad de sustancia por lo que se consideran constantes.
Propiedades Extensivas
También denominadas propiedades no características, las cuales no dependen de la naturaleza de la sustancia y no permiten diferenciarlas. Estas propiedades dependen de la cantidad de sustancia presente.
Propiedades Físicas y Químicas de la Materia
Se llama Propiedades de la Materia a sus características específicas. Algunas de estas características son comunes a todas las formas de la materia y por eso se las reconoce como propiedades generales. Otras difieren según el grupo y se conocen como propiedades particulares. Algunas, también, son diferentes incluso dentro del mismo grupo para cada una de las sustancias que forman parte de él, considerándose propiedades específicas. Sin embargo, existe otra clasificación fundamental respecto a las propiedades de la materia, ligadas al tipo de característica que cada una de ellas viene a diferenciar. Es la que divide a las propiedades entre las físicas y las químicas.
Con la finalidad de distinguir las diferentes muestras de materia, determinamos y comparamos sus propiedades. Los materiales se caracterizan por sus propiedades y por su composición.
Propiedades Físicas de la Materia
Son observadas o medidas, sin requerir ningún conocimiento de la reactividad o del comportamiento químico de la sustancia, sin la alteración de su composición o de su naturaleza química. Las propiedades físicas varían cuando la sustancia es sometida a condiciones físicas cambiantes.
Los cambios en las propiedades físicas de un sistema describen sus transformaciones y su evolución temporal entre estados instantáneos. La siguiente lista expone algunos ejemplos de propiedades físicas de la materia.
Textura: Capacidad determinada por medio del tacto, que expresa la disposición en
el espacio de las partículas del cuerpo.
Elasticidad: Capacidad de los cuerpos para deformarse al aplicarse una fuerza, y luego
recuperar su forma original.
Punto de fusión: Punto de temperatura al que, luego de descender de él, el cuerpo
Punto de ebullición: Punto de temperatura al que, una vez superado, el cuerpo pasa
del estado líquido al gaseoso.
Fragilidad: Propiedad de ciertos cuerpos de romperse sin que se deforme
previamente.
Dureza: Resistencia que opone un material al ser rayado.
Conductibilidad: Propiedad de algunas sustancias para conducir electricidad y calor.
Ductilidad: Propiedad de los materiales que se pueden hacer hilos y alambres.
Temperatura: Medida de grado de agitación térmica de las partículas del cuerpo.
Solubilidad: Capacidad que tienen las sustancias de disolverse.
Propiedades Químicas de la Materia
Son aquellas que la materia exhibe cuando sufre cambios en su composición química. La exposición de cualquier materia a una serie de reactivos o de condiciones particulares puede reaccionar y cambiar su estructura. A continuación se ejemplifican y explican algunos ejemplos de propiedades químicas de la materia.
pH: Propiedad química que sirve para medir la acidez de una sustancia o disolución.
Estado de oxidación: Grado por el que un átomo se oxida.
Poder calorífico: Cantidad de energía que se desprende al producirse una reacción
química.
Estabilidad química: Capacidad de una sustancia de evitar reaccionar con otras.
Alcalinidad: Capacidad de una sustancia para neutralizar ácidos.
Corrosividad: Grado de corrosión que puede ocasionar una sustancia.
Inflamabilidad: Capacidad de una sustancia de iniciar una combustión al aplicársele
calor a suficiente temperatura.
Reactividad: Capacidad de una sustancia para reaccionar en presencia de otras.
Combustión: La oxidación rápida, que se produce con desprendimiento de calor y de
luz.
Potencial de ionización: Energía necesaria para separar a un electrón de un átomo.
Propiedades Importantes de la Materia Densidad
Es la masa por unidad de volumen de una sustancia. Se representa por la letra griega rho (𝜌), y su formula es la siguiente;
𝜌 =𝑚
donde; 𝑚 es la masa de la sustancia y 𝑉 el volumen de la sustancia. Las unidades más empleadas son: 𝑔 𝑐𝑚3 = 𝑘𝑔 𝑚3 ; 𝑙𝑏𝑚 𝑓𝑡3 ; 𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑓𝑡3 ∶ 1 𝑠𝑙𝑢𝑔 = 𝑙𝑏𝑓. 𝑠2 𝑓𝑡
Puede utilizarse para distinguir entre dos sustancias o para identificar una sustancia determinada. También se utiliza como factor de conversión para relacionar la masa con el volumen de una cantidad de esa sustancia. La densidad de una sustancia es constante a una temperatura dada. Es además una propiedad intensiva, es decir, no depende de la cantidad de materia. Por otra parte, la densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor.
La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos. Entre los instrumentos más comunes para la medida de densidades tenemos:
El densímetro: el cual permite la medida directa de la densidad de un líquido.
El picnómetro: este es un aparato que permite la medida precisa de la densidad de
sólidos, líquidos y gases picnómetro de gas.
La balanza de Mohr: es una variante de balanza hidrostática que permite la medida
precisa de la densidad de líquidos.
Otra posibilidad para determinar las densidades de líquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante.
Cambios de Densidad
En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura. Al aumenta la presión la densidad de cualquier material estable también aumenta. Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua crece entre el punto de fusión (𝑎 0 °𝐶) y los 4 °𝐶; algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas.
El efecto de la temperatura y la presión en los sólidos y líquidos es muy pequeño, por lo que típicamente la compresibilidad de un líquido o sólido es de 10−6 𝑏𝑎𝑟−1 (1 𝑏𝑎𝑟 = 0,1 𝑀𝑃𝑎) y el coeficiente de dilatación térmica es de 10−5 𝐾−1.
En los gases la densidad varía; para el caso de los gases perfectos la ecuación general que gobierna esa variación es:
𝜌 =𝑃 ∙ 𝑀 𝑅 ∙ 𝑇
donde; 𝑅 es la constante universal de los gases ideales, 𝑃 es la presión del gas, 𝑀 su masa molar, y 𝑇 la temperatura absoluta. Eso significa que un gas ideal a 300 𝐾 (27 °𝐶) y 1 𝑏𝑎𝑟 duplicará su densidad si se aumenta la presión a 2 𝑏𝑎𝑟 manteniendo la temperatura constante o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150 𝐾 manteniendo la presión constante.
Ejercicio
¿Cuál es la densidad de una sustancia cuya masa de 20 𝑔 ocupa un volumen de 2,53 𝑐𝑚3? Expresar su valor en 𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑓𝑡⁄ 3. Datos 𝜌 =? 𝑚 = 20 𝑔 𝑉 = 2,53 𝑐𝑚3 Solución 𝜌 =𝑚 𝑉 = 20 𝑔 2,53 𝑐𝑚3 = 7,9051 𝑔 𝑐𝑚3× 0,031081 𝑠𝑙𝑢𝑔 453,593 𝑔 × 28316,8 𝑐𝑚3 1 𝑓𝑡3 = 15,3384 𝑠𝑙𝑢𝑔 𝑓𝑡3 Peso Específico
Es el peso por unidad de volumen. Se expresa como: 𝛾 = 𝑤
𝑉 =
𝑚 ∙ 𝑔
𝑉 = 𝜌 ∙ 𝑔 Las unidades más empleadas son:
𝑁 𝑚3 ;
𝑙𝑏 𝑓𝑡3
Ejercicio
Una empresa que produce jabones de pasta desea emplear un molde en el cual los jabones salen con la siguiente forma, una base de un paralelepípedo (prisma rectangular) con un ancho de 5 𝑐𝑚 y largo de 12 𝑐𝑚, en la parte superior 3 medios cilindros acostados paralelos al ancho donde sus semicircunferencias abarcan todo el largo, si el alto del jabón es de 4,5 𝑐𝑚 (densidad del jabón: 1562,5 𝑘𝑔 𝑚⁄ 2). Calcular:
a. La masa de cada jabón de pasta en 𝑙𝑏𝑚. b. El peso específico en 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑡⁄ 3.
c. Si la empresa tiene almacenado en un galpón de 30 𝑚 por 15 𝑚. Cierta cantidad de cajas donde por cada 12 𝑓𝑡2 hay aproximadamente 2,25 𝑐𝑎𝑗𝑎𝑠, cada caja tiene una masa de 80 𝑘𝑔. ¿Cuánta ganancia tendría la empresa con todo lo almacenado si cada jabón se vende en 𝐵𝑠. 40.000?
Datos 𝑎 = 5 𝑐𝑚 𝑙 = 12 𝑐𝑚 ℎ = 4,5 𝑐𝑚 𝜌 = 1562,5 𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 𝑎𝐺 = 30 𝑚 𝑙𝐺 = 15 𝑚 𝐴 = 12 𝑓𝑡2 → 2,25 𝑐𝑎𝑗𝑎𝑠 𝑚𝑐𝑎𝑗𝑎 = 80 𝑘𝑔 𝐵𝑠. 40.000 Solución 𝐷 =12 𝑐𝑚 3 = 4𝑐𝑚 ℎ𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑒𝑝𝑖𝑝𝑒𝑑𝑜 = 2,5 𝑐𝑚
Para determinar la masa del jabón primero debemos calcular su volumen 𝑉𝑗𝑎𝑏𝑜𝑛 = 𝑉𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑒𝑝𝑖𝑝𝑒𝑑𝑜+ 3𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 2 𝑉𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑒𝑝𝑖𝑝𝑒𝑑𝑜 = 𝑙 𝑎 ℎ ; 𝑉𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 =𝜋 𝐷2 ℎ 4 𝑉𝑗𝑎𝑏𝑜𝑛 = 𝑙 𝑎 ℎ + 3 𝜋 𝐷2 ℎ 4 2 = 𝑙 𝑎 ℎ + 3 𝜋 𝐷2 ℎ 8 𝑉𝑗𝑎𝑏𝑜𝑛 = (12 𝑐𝑚 × 5 𝑐𝑚 × 2,5 𝑐𝑚) + 3𝜋 × (4 𝑐𝑚) 2× 5 𝑐𝑚 8 = 244,2479 𝑐𝑚 3
Calculando la masa del jabón, con ayuda de la densidad
𝜌 =𝑚 𝑉 → 𝑚 = 𝜌 𝑉 𝑚 = 1562,5 𝑘𝑔 𝑚3× 244,2479 𝑐𝑚 3× 1 𝑚3 106 𝑐𝑚3 ×2,20462 𝑙𝑏𝑚 1 𝑘𝑔 = 0,8414 𝑙𝑏𝑚 ∎(𝑎)
Calculemos el peso específico 𝛾 = 𝜌 ∙ 𝑔 4 ,5 𝑐 𝑚 12 𝑐𝑚
𝛾 = 1562,5 𝑘𝑔 𝑚3× 2,20462 𝑙𝑏𝑚 1 𝑘𝑔 × 1 𝑚3 35,3145 𝑓𝑡3 × 32,174𝑓𝑡 𝑠2 = 3138,3817 𝑙𝑏𝑓 𝑓𝑡3∎(𝑏)
Calculemos el área del galpón
𝐴𝐺 = 𝑎𝐺 𝑙𝐺 = 30 𝑚 × 15 𝑚 = 450 𝑚2
Con ayuda de factores de conversión determinemos las ganancias 𝑋(𝐵𝑠) = 450 𝑚2×10,764 𝑓𝑡 2 1 𝑚2 × 2,25 𝑐𝑎𝑗𝑎 12 𝑓𝑡2 × 80 𝑘𝑔 1 𝑐𝑎𝑗𝑎 ×2,20462 𝑙𝑏𝑚 1 𝑘𝑔 × 1 𝑗𝑎𝑏ó𝑛 0,8414 𝑙𝑏𝑚 ×40.000 𝐵𝑠 1 𝑗𝑎𝑏𝑜𝑛 = 706.778.005,2 𝐵𝑠∎(𝑐) Gravedad Específica
Es la relación entre la densidad de un fluido cualquiera y la del agua. Lógicamente, como en algunos fluidos la densidad puede variar con la temperatura, el valor de la densidad relativa debe especificar la temperatura correspondiente. En otras palabras, es el cociente de la densidad de la sustancia (𝜌) entre la densidad de una sustancia de referencia (𝜌𝑟𝑒𝑓) en condiciones específicas; por lo tanto se expresa como:
𝑆𝐺 = 𝜌
𝜌𝑟𝑒𝑓 𝑎 4℃= 𝛾 𝛾𝑟𝑒𝑓 𝑎 4℃
Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 𝑎𝑡𝑚 y la temperatura de 4 °𝐶. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1 𝑔/𝑐𝑚3 = 1 𝐾𝑔/𝑙 = 1000 𝑘𝑔/𝑚3 = 62,4 𝑙𝑏𝑚/𝑓𝑡3.
Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 𝑎𝑡𝑚 y la temperatura de 0 °𝐶.
Temperatura
Es una magnitud física que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. No depende del tamaño del cuerpo ni de su material. A mayor temperatura tendremos mayor sensación de calor, a menor temperatura, se tendrá sensación de frio. La temperatura está relacionada con la energía interior de los sistemas termodinámicos, de acuerdo al movimiento de sus partículas, y cuantifica la actividad de las moléculas de la materia: a mayor energía sensible, más temperatura.
El estado, la solubilidad de la materia y el volumen, entre otras cuestiones, dependen de la temperatura. En el caso del agua a presión atmosférica normal, si se encuentra a una temperatura inferior a los 0 ℃, se mostrará en estado sólido (congelada); si aparece a una temperatura de entre 1 ℃ y 99 ℃, se encontrará en estado líquido; si la temperatura es de 100 ℃ o superior, el agua presentará un estado gaseoso (vapor).
El instrumento que se utiliza para medir la temperatura es el termómetro. Los primeros se basaban en la dilatación de un material específico que se encontraba dentro del termómetro. A medida que aumenta la temperatura, se produce la dilatación que marca el resultado. Por lo general, se utilizaba el mercurio como material para la dilatación. Existen varios tipos de termómetros, y los principales son:
Termómetro de Vidrio: estructura de vidrio que en su interior hay mercurio que se
dilata para marcar la temperatura.
Resistencia: alambre de platino que cambia su resistencia eléctrica a media que
aumenta la temperatura.
Termopar: mide temperaturas basadas en la fuerza automotriz.
Pirómetro: mide temperaturas muy elevadas.
Termómetros Digitales: un microchip interpreta por ejemplo la información relativa
a una resistencia desplegando la información en una pantalla de LCD.
Lámina bimetálica: formado por dos láminas de metal de coeficientes de dilatación
distintos. El coeficiente más alto se encuentra al interior.
Existen para medir la temperatura de manera objetiva diferentes escalas las cuales son:
Escalas Relativas
Estas escalas toman como referencia el punto de congelación y el punto de ebullición del agua a nivel del mar.
Escala Celsius (Centígrada)
Temperatura de fusión (𝑇𝑓) recibe un valor de 0 ℃, y la temperatura de ebullición
(𝑇𝑒) un valor de 100 ℃. El cero absoluto en esta escala tiene un valor de −273,15 ℃. Escala Fahrenheit
Temperatura de fusión (𝑇𝑓) recibe un valor de 32 ℉, y la temperatura de ebullición
(𝑇𝑒) un valor de 212 ℉. El cero absoluto en esta escala tiene un valor de −459,67 ℉. 𝑇(°𝐹) = 1,8 · 𝑇(°𝐶) + 32
Escalas Absolutas
Estas escalas se basan en las propiedades termodinámicas de los gases. Son las verdaderas escalas de temperatura, no existen valores negativos.
Escalas Kelvin y Ranking
Se definen de tal modo que el cero absoluto tenga un valor de 0. 𝑇(𝐾) = 𝑇(°𝐶) + 273,15
𝑇(𝑅) = 𝑇(°𝐹) + 459,67 Variaciones de Temperatura
Es la diferencia entre un estado final de una temperatura y el estado inicial de la misma.
𝛥𝑇 = 𝑇𝑓 – 𝑇𝑖
𝛥𝑇(°𝐶) = 𝛥𝑇(𝐾) ; 𝛥𝑇(°𝐹) = 𝛥𝑇(𝑅) ; 𝛥𝑇(𝑅) = 1,8 · 𝛥𝑇(𝐾) Figura 2. Escalas de Temperatura
Ejercicio
Se desea trabajar en un ambiente que presente una temperatura en un intervalo entre [−4,5 ℃, 12 ℃], en el cual se colocan dos ductos que emiten aire de un enfriador. Si después de 20 𝑚𝑖𝑛 la variación de temperatura es de −43,2 𝑅 y la temperatura antes de los 20 𝑚𝑖𝑛 es de 71,6 ℉.
b. Al ambiente se le colocan 4 extractores donde cada uno aumenta la temperatura del cuarto en 33,44 ℉, con la temperatura determinada en la parte anterior decida si el uso de los extractores es factible y la variación registrada en el ambiente.
Datos Intervalo [−4,5 ℃, 12 ℃] ∆𝑇 =−43,2 𝑅 𝑇𝑖 =71,6 ℉ ∆𝑇𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎= 33,44 ℉ Solución
La variación de la temperatura viene expresada por:
∆𝑇 = 𝑇𝑓− 𝑇𝑖 → 𝑇𝑓= ∆𝑇 + 𝑇𝑖 Transformando 𝛥𝑇(°𝐹) = 𝛥𝑇(𝑅) = −43,2 ℉ Entonces; 𝑇𝑓=−43,2 ℉ + 71,6 ℉ = 28,4 ℉ 𝑇𝑓(℃) = 28,4 ℉ − 32 1,8 = −2 ℃
Como la temperatura final está dentro del intervalo, los ductos si son factibles (𝑎)
Determinemos la variación de la temperatura al agregar los 4 extractores ∆𝑇4.𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐 = 4 × 33,44℉ = 133,76 ℉ Si 𝑇𝑓𝑎= 𝑇𝑖𝑏, entonces; 𝑇𝑓𝑏 =∆𝑇4.𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐+ 𝑇𝑓𝑎= 133,76 ℉ + 28,4 ℉= 162,16 ℉ 𝑇𝑓(℃) = 162,16 ℉ − 32 1,8 = 72,31 ℃
Como la temperatura final no está dentro del intervalo, los extractores no son factibles (𝑏)
TEMA III. EL ÁTOMO Teoría Atómica
En el siglo V a.c., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos. A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos, entre ellos Platón y Aristóteles, ésta se mantuvo durante largo tiempo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicas apoyaron el concepto del “atomismo”, lo que condujo de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos.
En 1808, el científico inglés John Dalton, formuló una definición precisa de las unidades indivisibles e indestructibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos, los cuales representaba como partículas esféricas repletas de masa y de tamaño variable. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton pueden resumirse como sigue:
Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos.
Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos o más elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla.
Una reacción química implica solo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos: nunca supone la creación o destrucción de los mismos.
Figura 3. Átomos y Compuestos
A parten de Dalton otros científicos a lo largo de la historia formularon sus teorías atómicas, como por ejemplo Joseph Thomson (1856-1940), quien señaló que los electrones
se distribuían uniformemente en el interior del átomo suspendidos en una nube de carga positiva, donde el átomo se consideraba como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños gránulos. Por otra parte Rutherford en 1910, propuso la existencia del núcleo atómico, y Chadwick descubrió las partículas contenidas en el núcleo del átomo, las cuales pasaría a llamarse neutrones). A su vez, Bohr realizó el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados, define orbita, niveles energéticos y capas de electrones.
Todos estos estudios realizados, fueron englobados hasta llegar a la definición concreta del modelo atómico actual, que fue desarrollado durante la década de 1920, sobre todo por Schrödinger y Heisenberg quienes definen orbitales, periodicidad, enlaces químicos y propiedades de los materiales.
Modelo Atómico
Cuando hablamos de “modelo” nos referimos a una representación o esquema de forma gráfica que nos sirve como referencia para entender algo de forma más sencilla y cuando hablamos de “atómico” hacemos referencia de conceptos relacionados con los átomos. Según esto, un modelo atómico es una representación gráfica de la estructura que tienen los átomos. Un modelo atómico representa una explicación o esquema de como son y cómo se comportan los átomos.
La materia está compuesta por estas partículas pequeñas e indivisibles que llamamos átomos, y esos átomos tienen un comportamiento determinado y unas propiedades determinadas. A lo largo de la historia se han elaborado diferentes modelos atómicos que tienen el nombre de su descubridor. Estos modelos fueron mejorando el concepto real del átomo hasta llegar al actual modelo atómico presentado por Sommerfeld y Schrödinger. A continuación se presenta la evolución del modelo atómico.
Modelo Atómico de Demócrito de Abdera
Este fue el primer modelo atómico, inventado por el filósofo griego Demócrito de Abdera. Demócrito fue el desarrollador de la “Teoría Atómica Del Universo”. Fue el primer filósofo-científico que afirmó que los átomos son eternos, inmutables e indivisibles, es decir, que duran siempre, que no cambian y que no pueden dividirse en partículas más pequeñas. Para Demócrito el átomo era la partícula más pequeña que había, una partícula homogénea, que no se puede comprimir y que además no se podía ver. Su teoría era filosófica, y no científica. De hecho la palabra “átomo” proviene del griego “á-tómo” que significa “sin división”.
Modelo Atómico de Dalton
John Dalton fue un químico y matemático británico (entre otras muchas cosas), fue el primero en desarrollar un modelo atómico con bases científicas. Basándose en la idea de Demócrito, Dalton concluyó que el átomo era algo parecido a una esfera pequeñísima, también indivisible e inmutable. Dalton hizo los siguientes “postulados” (afirmaciones o supuestos):
1. La materia está compuesta por partículas diminutas, indivisibles e indestructibles llamadas átomos.
2. Los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí (es decir, con igual masa y propiedades).
3. Los átomos de diferentes elementos tienen masas y propiedades distintas.
4. Los átomos permanecen sin división, incluso cuando se combinan en reacciones químicas.
5. Los átomos, al combinarse para formar compuestos (lo que hoy llamamos moléculas) mantienen relaciones simples.
6. Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.
7. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos. Para Dalton un átomo era algo así como una pequeña esfera (ver figura 4).
Figura 4. Modelo atómico de Dalton
Tanto Dalton como Demócrito ya se adelantaban y vislumbraban el “Principio de Conservación de la Energía” en donde nada se crea ni se destruye, pero ambos modelos tienen insuficiencias o errores que se conocieron mucho después y es que los átomos sí pueden cambiar y también pueden dividirse en partículas más pequeñas.
El átomo NO es la partícula más pequeña. Sabemos ya que existen partículas subatómicas (que significa más pequeño que el átomo) como por ejemplo los “quarks”, los “neutrinos” o los “bosones”.
Modelo Atómico de Thomson
Joseph John Thomson fue un científico británico que descubrió el electrón y los isótopos. u teoría sobre el átomo decía que los átomos estaban compuestos por electrones de carga negativa en un átomo positivo, es decir, como si tuviéramos una bola cargada positivamente rellena de electrones (carga negativa), también conocido como Modelo del Pudin De Pasas porque parece un bizcocho relleno de pasas.
Figura 5. Modelo atómico de Thomson
La electricidad fue lo que ayudó a Thomson a desarrollar su modelo. El error que cometió Thomson fue que hizo suposiciones incorrectas de cómo se distribuía la carga positiva en el interior del átomo.
Modelo Atómico Cúbico de Lewis
Gilbert Newton Lewis fue un físico y químico estadounidense que realizó numerosos trabajos científicos de los cuáles se destacan la “Estructura de Lewis” también conocida como el “Diagrama de Punto”. El modelo atómico de Lewis está basado en un cubo, donde decía que los electrones de un átomo se colocaban de forma cúbica, es decir, los electrones de un átomo estaban colocados en los vértices de un cubo.
Gracias a ésta teoría se conoció el concepto de “valencia de un electrón” es decir, esos electrones en el último nivel de energía de un elemento que pueden reaccionar o enlazarse con otro elemento.
Figura 6. Modelo Atómico Cúbico de Lewis
El modelo de Lewis fue un paso importante en la historia para entender el significado del átomo pero se abandonó pronto esta teoría.
Modelo Atómico de Rutherford
Ernest Rutherford fue un químico y físico neozelandés que dedicó gran parte de su vida a estudiar las partículas radioactivas (partículas alfa, beta y gamma) y fue el primero de todos en definir un modelo atómico en el que pudo demostrar que un átomo está compuesto de un núcleo y una corteza. Para Rutherford el átomo estaba compuesto de un núcleo atómico cargado positivamente y una corteza en los que los electrones (de carga negativa) giran a gran velocidad alrededor del núcleo donde estaba prácticamente toda la masa del átomo.
Para Rutherford esa masa era muy muy pequeña. Esa masa la definía como una concentración de carga positiva. Los estudios de Rutherford demostraron que el átomo estaba vació en su mayor parte ya que el núcleo abarcaba casi el 100 % de la masa del átomo.
Figura 7. Modelo Atómico de Rutherford
Modelo Atómico de Bohr
Este modelo también se llama de Bohr-Rutherford. Niels Henrik David Bohr fue un físico danés que se basó en las teorías de Rutherford para explicar su modelo atómico. En el modelo de Bohr se introdujo ya la teoría de la mecánica cuántica que pudo explicar cómo giraban los electrones alrededor del núcleo del átomo. Los electrones al girar alrededor del núcleo definían unas órbitas circulares estables que Bohr explicó como que los electrones se pasaban de unas órbitas a otras para ganar o perder energía. Demostró que cuando un electrón pasaba de una órbita más externa a otra más interna emitía radiación electromagnética. Cada órbita tiene un nivel diferente de energía.
Figura 8. Modelo Atómico de Bohr
Modelo Atómico de Sommerfeld
Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld fue un físico alemán, su aporte más importante fue cambiar el concepto de las órbitas circulares que definían los electrones en el modelo atómico de Bohr por órbitas elípticas. Lo que hizo Sommerfeld fue perfeccionar el modelo de Bohr con las órbitas elípticas lo que dio lugar al descubrimiento del numero cuántico Azimutal (o secundario). Cuanto mayor era este número mayor era la excentricidad de la órbita elíptica que describía el electrón.
Figura 9. Modelo Atómico de Sommerfeld
Modelo Atómico de Schrödinger
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger fue un físico austriaco que vivió entre los años 1887 y 1961 cuyo modelo cuántico y no relativista explica que los electrones no están en órbitas determinadas. Describió la evolución del electrón alrededor del núcleo mediante ecuaciones matemáticas, pero no su posición.
Decía que su posición no se podía determinar con exactitud. Schrödinger propuso entonces una ecuación de onda que ayuda a predecir las regiones donde se encuentra el electrón, que se conoce como “ecuación de Schrödinger”.
Figura 10. Modelo Atómico de Schrödinger
Estos tres últimos modelos son los que se utilizan hoy en día para estudiar el átomo. Como resumen, la figura 11 muestra las diferencias entre un modelo y otro, para mayor entendimiento.
Figura 11. Esquema de los Modelos Atómicos
Estructura del Átomo
En base a la teoría atómica de Dalton, un átomo se define como la unidad básica de
un elemento que puede intervenir en una combinación química. Dalton describió al átomo
como una partícula muy pequeña e indivisible. Sin embargo, una serie de investigaciones alrededor de 1850, y que continuaron hasta el siglo XX, demostraron claramente que los átomos no son compactos, si no que poseen una estructura interna, es decir, que están formados por partículas aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas, las cuales son los electrones, protones y neutrones.
Por otra parte, el científico Ernest Rutherfod en 1910 en colaboración con otros, fueron quienes descubrieron a ciencia cierta cómo es la estructura de un átomo. Estos
científicos realizaron un experimento, el cual consistió en bombardear átomos de oro (𝐴𝑢), contenidos en una lámina muy delgada, con partículas alfa provenientes de un material radiactivo. Como resultado, obtuvieron que el átomo estaba formado por dos partes, el núcleo atómico y la zona extranuclear.
El Núcleo del átomo, es la parte central del átomo y una región muy pequeña, en donde está contenida casi la totalidad de la masa del átomo, por lo tanto es extremadamente denso. Posee partículas de carga positiva, denominadas protones. En la actualidad se sabe que en él se encuentran los neutrones (partículas de carga neutra o sin carga).
Los Protones fueron descubiertos por Rutherford cuando observo los rayos positivos (radiaciones) formadas en un tubo de descarga, constituidas por particulas positivas, que se dirigen hacia el cátodo. Los cuales fueron bautizados con este nombre. Esta partícula subatómica es representada por 𝑝+, el valor de su carga es de 1,6022𝑥10−19 𝐶 (𝐶 = Coulombio), y un valor de masa de 1,67262𝑥10−27 𝑘𝑔.
Por otra parte, Rutherford predijo la existencia del Neutrón, pero Chadwick lo descubre y le da su nombre. Este es una partícula subatómica representada por 𝑛, la cual no posee carga, es decir, el valor de su carga es 0; y el valor de su masa es de 1,67262𝑥10−27 𝑘𝑔.
La Zona Extranuclear, comprende la casi totalidad del volumen del átomo. En su mayor parte es espacio vacío. Posee carga negativa, porque allí se encuentran los electrones girando a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico.
El Electrón fue descubierto por J.J. Thomson cuando observo los rayos catódicos (radiaciones) emitidas por el cátodo de un tubo de descarga, que contiene un gas a baja presión. Constituidas por partículas con carga negativa y son componentes fundamentales de la materia. Esta partícula subatómica está representada por 𝑒−, el valor de su carga es de −1,6022𝑥10−19 𝐶 (𝐶 = Coulombio), y el valor de su masa 9,11𝑥10−31 𝑘𝑔.
Número Atómico y Número Másico
Algunos años después de que los experimentos de Rutherford demostraran que los núcleos atómicos eran los centros pesados y positivos de los átomos, Moseley ideo una técnica para determinar la magnitud de la carga positiva. Analizó matemáticamente los datos obtenidos en su experimento y concluyó que cada elemento difería del precedente en la serie, en que tenía una carga positiva más en su núcleo.
Hoy en día se conoce que cada núcleo contiene un número entero de protones exactamente igual al de electrones de un átomo neutro del elemento. Por esta razón surgen las definiciones de número atómico y número másico.
Número Atómico
Es representado por la letra 𝑍, e indica la cantidad de protones o de cargas positivas que posee un átomo en su núcleo. Si nos referimos a un átomo neutro este posee la misma cantidad de protones y electrones.
Número Másico
Es representado por la letra 𝐴, e indica la cantidad de protones y neutrones, es decir, la cantidad de partículas de cargas positivas y cargas neutras (sin carga) que hay en el núcleo del átomo.
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑀á𝑠𝑖𝑐𝑜 (𝐴) = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 (𝑝+) + 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 (𝑁)
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑀á𝑠𝑖𝑐𝑜 (𝐴) = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝐴𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑜 (𝑍) + 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑁𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 (𝑁) 𝐴 = 𝑍 + 𝑁
Para identificar el átomo de un elemento lo aremos de la siguiente manera:
Isótopos
Son átomos de un mismo elemento, es decir, poseen igual número atómico (𝑍), pero con diferente número de másico (A), debido al distinto número de neutrones que poseen en su núcleo. Por ejemplo:
𝑁𝑒 20 10 ; 𝑁𝑒 21 10 ; 𝑁𝑒 22 10 Isóbaros
Son átomos de diferentes elementos, es decir poseen diferente número atómico (𝑍), pero igual número másico (𝐴). Por ejemplo:
𝑅𝑎
22588 ; 22589𝐴𝑐
Ejercicios
¿Cuántos electrones, protones y neutrones contiene un átomo de: 𝐶𝑟5224 y 𝐶𝑢6429 ?
Para el 𝑪𝒓𝟓𝟐𝟐𝟒 Numero Atómico 𝑍 = 24 Numero Másico 𝐴 = 52 Para el 𝑪𝒖𝟔𝟒𝟐𝟗 Numero Atómico 𝑍 = 29 Numero Másico 𝐴 = 64
𝑿
𝒚
𝒄
𝑨
𝒁
Número Atómico Número MásicoSímbolo del Elemento Carga
N° de protones 𝑝+ = 24 N° de electrones 𝑒− = 24 N° de neutrones 𝐴 = 𝑍 + 𝑁 ⇒ 𝑁 = 𝐴 − 𝑍 𝑁 = 52 − 24 = 28 N° de protones 𝑝+ = 29 N° de electrones 𝑒− = 29 N° de neutrones 𝐴 = 𝑍 + 𝑁 ⇒ 𝑁 = 𝐴 − 𝑍 𝑁 = 64 − 29 = 35
¿Cuántos electrones, protones y neutrones contiene un átomo de: 𝐹𝑒5326 +3 y 𝑆3216 −2?
Para el 𝑭𝒆𝟓𝟑𝟐𝟔 +𝟑 Numero Atómico 𝑍 = 26 Numero Másico 𝐴 = 53 N° de protones 𝑝+ = 𝑍 + 3 = 29 N° de electrones 𝑒− = 26 N° de neutrones 𝐴 = 𝑍 + 𝑁 ⇒ 𝑁 = 𝐴 − 𝑍 𝑁 = 53 − 26 = 27 Para el 𝑺𝟑𝟐𝟏𝟔 −𝟐 Numero Atómico 𝑍 = 16 Numero Másico 𝐴 = 32 N° de protones 𝑝+ = 16 N° de electrones 𝑒− = 𝑍 + 2 = 18 N° de neutrones 𝐴 = 𝑍 + 𝑁 ⇒ 𝑁 = 𝐴 − 𝑍 𝑁 = 32 − 16 = 16 Mecánica Cuántica
Es un modelo matemático que intenta explicar el comportamiento del electrón dentro del átomo. Se presenta bajo dos enfoques que describen el nivel de energía donde se encuentra el electrón, la energía del nivel, el tamaño del nivel y distancia al núcleo del átomo, designación y forma de un subnivel, o una clase especifica de orbital atómico, y la orientación del orbital en el espacio.
Orbítales Atómicos
En 1927 pudo comprobarse experimentalmente la hipótesis de De Broglie al observarse un comportamiento ondulatorio de los electrones en los fenómenos de difracción. Un electrón que se mueve alrededor de núcleo puede considerarse ligado a él y podemos describir su movimiento ondulatorio mediante la ecuación de ondas. Con esta idea, Schrödinger realizó un estudio matemático del comportamiento del electrón en el átomo y obtuvo una expresión, conocida como ecuación de Schrödinger. Podemos decir que un orbital atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar al electrón. Esto supone considerar al electrón como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón es mayor.
Para que la ecuación de Schrödinger tenga significado físico es necesario imponerle unas restricciones que son conocidas como números cuánticos, que se simbolizan de la misma forma que los obtenidos en el modelo atómico de Bohr; número cuántico principal (𝒏), número cuántico del momento angular orbital (𝒍), número cuántico magnético (𝒎) y número cuántico del spin electrónico (𝒔).
Número Cuántico Principal
Se representa con la letra 𝒏, y describe el nivel energético de un orbital. Puede tomar valores enteros: 𝑛 = 1,2,3,4, ⋯. El número cuántico principal también está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un determinado orbital. Mientras mayor número cuántico principal se tenga, mayor es la distancia entre un electrón en un orbital respecto del núcleo y, en consecuencia, el orbital es más grande.
Número Cuántico Secundario
También llamado número cuántico del momento angular. Se representa con la letra 𝒍, y exprese la forma de los orbitales. Este asocia un subnivel energético para cada número cuántico principal. Los valores de 𝑙 dependen del valor asignado al número cuántico principal 𝑛. Para un cierto valor de 𝑛, 𝑙 tiene todos los valores enteros posibles desde 0 hasta (𝑛 − 1). Para 𝑛 = 1, solo existe un posible valor de 𝑙; es decir, 𝑙 = 𝑛 − 1 = 1 − 1 = 0. Si 𝑛 = 2, 𝑙 puede tener dos valores: 0 y 1. Si 𝑛 = 3, 𝑙 puede tener 3 valores: 0, 1 y 2. El valor de 𝑙 se designa con las letras 𝑠, 𝑝, 𝑑,… de la siguiente forma:
Tabla 1. Número Cuántico Secundario y su Orbital
𝑙 𝟎 𝟏 𝟐 𝟑 𝟒 𝟓
Nombre del Orbital 𝑠 𝑝 𝑑 𝑓 𝑔 ℎ
El conjunto de orbitales que tienen el mismo número de 𝑛 se conoce comúnmente como nivel o capa, los orbitales que tienen los mismo valores de 𝑛 y 𝑙 se conocen como subniveles o subcapas. Por ejemplo, el nivel con 𝑛 = 2 esya formado de dos subniveles, 𝑙 = 0 y 𝑙 = 1, esto corresponde a los subniveles 2𝑠 y 2𝑝, donde 2 expresa el valor de 𝑛, y 𝑠 y 𝑝, se refiere a los valores de 𝑙.
Número Cuántico Magnético
Se representa con las letras 𝑚𝑙, y describe la orientación del orbital en el espacio, y
supone las condiciones de energía para cada subnivel. Dentro de un subnivel, el valor de 𝑚𝑙
depende del valor que tenga el número cuántico angular. Para cierto valor de 𝑙 existen (2𝑙 + 1) valores enteros de 𝑚𝑙 como sigue:
Si 𝑙 = 0, entonces 𝑚𝑙 = 0. Si 𝑙 = 1, entonces existen [(2 × 1) + 1] o tres valores de
𝑚𝑙, es decir, −1, 0 y 1. . Si 𝑙 = 2, hay [(2 × 2) + 1] o cinco valores de 𝑚𝑙, es decir, −2, −1, 0, 1 y 2. El número de valores que tenga 𝑚𝑙, indica el número de orbitales presentes en un
subnivel con un cierto valor de 𝑙. Número Cuántico de Spin del Electrón
Se representa con las letras 𝑚𝑠, y es el giro que él electrón realiza sobre su propio eje.
Refleja los electrones, asignados valores ± 1 2⁄ o ↑↓. El cuarto número cuántico, 𝑚𝑠, que
define a un electrón en un átomo hace referencia al momento angular de giro del mismo. El conjunto de los cuatro números cuánticos definen a un electrón, no pudiendo existir en un mismo átomo dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, por lo que una vez definido el tamaño, el tipo y la orientación de un orbital con los tres primeros números cuánticos, es decir los valores de 𝑛, 𝑙 y 𝑚𝑙, sólo es posible encontrar un máximo
de dos electrones en dicha situación que necesariamente tendrán valores diferentes de su número cuántico de spin. Donde cada orbital acepta una cantidad de electrones definida. El orbital 𝑠 acepta 2 electrones, el orbital 𝑝 acepta 6 electrones, el orbital 𝑑 acepta 10 electrones, y el orbital 𝑓 acepta 14 electrones.
Forma y Tamaño de los Orbitales
La imagen de los orbitales empleada habitualmente por los químicos consiste en una representación del orbital mediante superficies límite que engloban una zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es del 99 %. La extensión de estas zonas depende básicamente del número cuántico principal (𝑛), mientras que su forma viene determinada por el número cuántico secundario (𝑙).
Orbitales 𝒔: Tienen forma esférica, la extensión de este orbital depende del valor del
número cuántico principal, así un orbital 3𝑠 tiene la misma forma pero es mayor que un orbital 2𝑠.
Figura 12. Forma del Orbital 𝒔
Orbitales 𝒑: Están formados por dos lóbulos idénticos que se proyectan a lo largo de
orbitales 𝑝 (𝑚 = −1, 𝑚 = 0, 𝑚 = +1) de idéntica forma, que difieren sólo en su orientación a lo largo de los ejes 𝑥, 𝑦, 𝑧.
Figura 13. Forma de los Orbitales 𝒑
Orbitales 𝒅: También están formados por lóbulos. Hay cinco tipos de orbitales 𝑑 (que
corresponden a 𝑚 = −2, −1, 0, 1, 2).
Figura 14. Forma de los Orbitales 𝒅
Orbitales 𝒇: También tienen un aspecto multilobular. Existen siete tipos de orbitales
𝑓 (que corresponden a 𝑚 = −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3). Figura 15. Forma de los Orbitales 𝒇
Configuración Electrónica
La configuración electrónica de un átomo es la forma en que están distribuidos los electrones entre los diferentes orbitales atómicos. Para escribir la configuración electrónica de un elemento se utiliza el Principio de Aufbau (en alemán Aufbau significa construcción) que establece que cuando los protones se agregan al núcleo de uno en uno para construir los elementos, los electrones se suman de la misma forma a los orbitales atómicos.
Para escribir la configuración electrónica de un elemento, es necesario conocer el número de electrones del átom. Si se trata de un átomo neutro, el número de electrones será igual al número de protones en el núcleo, es decir, será igual a su número atómico (𝑍).
La configuración electrónica se puede establecer con el “método de la lluvia” o “cuadro de las diagonales”, representado en la figura 16. Este método se basa en el hecho de que los orbitales se llenan de acuerdo a la energía de cada uno de ellos, desde el de menor hasta el de mayor energía.
Figura 16. Método de la Lluvia. Cuadro de las Diagonales
Aplicando el mencionado método de la lluvia, la configuración electrónica estándar, para cualquier átomo, es la siguiente:
1𝑠22𝑠22𝑝6 3𝑠23𝑝64𝑠23𝑑104𝑝55𝑠24𝑑105𝑝66𝑠24𝑓145𝑑106𝑝67𝑠25𝑓146𝑑107𝑝6 También es posibles representar la configuración electrónica con un diagrama de orbital que muestra el spin del electrón. En estos diagramas se representa un orbital atómico con un guion bajo (__), y para representar a un electrón (electrón desapareado: es aquel que se encuentra solo en un orbital) utilizaremos una flecha o semi-flecha hacia arriba (↑) o (↿), y para los pares de electrones (electrones apareados: son aquellos que se encuentran en pares en un orbital) utilizaremos una flecha o semi-flecha hacia arriba y hacia
abajo (↑↓) o (↿⇂). La flecha indica el valor del spin del electrón; (↑) o (↿) para + 1 2⁄ y (↓) o (⇂) para − 1 2⁄ .
Para realizar la configuración electrónica de los átomos de los elementos es necesario conocer cierta información:
Conocer el número de electrones que posee el átomo. Con ayuda del número atómico (𝑍) del átomo podemos obtener esta información. Recuerda que el número de electrones en un átomo neutro es igual al número atómico (𝑍 = 𝑝+).
Ubicar los electrones en cada uno de los niveles de energía, comenzando desde el nivel más cercano al núcleo (𝑛 = 1), esto con ayuda del método de la lluvia.
Respetar la capacidad máxima de cada subnivel (𝑠 = 2𝑒−, 𝑝 = 6𝑒−, 𝑑 = 10𝑒− 𝑦
𝑓 = 14𝑒−).
Los orbitales deben ser llenados en orden creciente de energía, con no más de dos electrones por orbital, según el principio de construcción de Aufbau.
En la tabla a continuación vemos como se distribuyen los electrones de los átomos en orden creciente a su número atómico (𝑍):
Tabla 2. Distribución Electrónica de algunos Elementos
ELEMENTO 𝒁 DIAGRAMA DE ORBITALES CONFOGURACIÇON
ELECTRÓNICA 𝟏𝒔 𝟐𝒔 𝟐𝒑 𝟑𝒔 𝐻 1 ↿ 1𝑠1 𝐻𝑒 2 ↿⇂ 1𝑠2 𝐿𝑖 3 ↿⇂ ↿ 1𝑠22𝑠1 𝐵𝑒 4 ↿⇂ ↿⇂ 1𝑠22𝑠2 𝐵 5 ↿⇂ ↿⇂ ↿ 1𝑠22𝑠22𝑝1 𝐶 6 ↿⇂ ↿⇂ ↿ ↿ 1𝑠22𝑠22𝑝2 𝑁 7 ↿⇂ ↿⇂ ↿ ↿ ↿ 1𝑠22𝑠22𝑝3 𝑁𝑒 10 ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ 1𝑠22𝑠22𝑝6 𝑁𝑎 11 ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿⇂ ↿ 1𝑠22𝑠22𝑝63𝑠1
En el helio se completa el primer nivel (𝑛 = 1), lo que hace que la configuración del He sea muy estable. Para el Boro el quinto electrón se sitúa en un orbital 2𝑝 y al tener los tres orbitales 2𝑝 la misma energía no importa cuál de ellos ocupa. En el carbono el sexto electrón podría ocupar el mimo orbital que el quinto u otro distinto. La respuesta nos la da la “Regla de Hund” la distribución más estable de los electrones en los subniveles es aquella que tenga el mayor número de espínes paralelos. Ya que los electrones se repelen entre sí, al ocupar distintos orbitales pueden situarse más lejos uno del otro. Así el carbono en su estado de mínima energía tiene dos electrones desapareados, y el nitrógeno tiene tres. Así mismo, para el neón completa el nivel dos y al igual que el helio tiene una configuración estable.
Tabla Periódica
Es un ordenamiento en la que se encuentran agrupados los elementos ordenados según sus propiedades físicas y químicas semejantes, en la cual los elementos están acomodados de acuerdo a su número atómico. Las filas (horizontales) son llamadas periodos, y en columnas (verticales) son conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades químicas.
Figura 17. Tabla Periódica
Disposición de los Elementos en la Tabla Periódica
Los elementos se dividen en tres categorías: metales, no metales y metaloides. De izquierda a derecha, a lo largo de cualquier periodo, las propiedades físicas y químicas de los elementos cambian en forma gradual de metálicas a no metálicas, pero masas similares. Los elementos de una columna de la Tabla Periódica se conocen como grupo. La designación de los grupos es básicamente arbitraria. Los elementos que pertenecen al mismo grupo suelen exhibir ciertas similitudes en sus propiedades físicas y químicas.
Los grupos de la tabla Periódica tienen nombre, entre ellos tenemos el Grupo IA donde se encuentran los Metales Alcalinos, Grupo IIA conformado por los Metales
