CUADERNILLO DE QUIMICA PARA LA CARRERA DE INGENIERIA EN SISTEMAS

Biol. Nelli Lozano Vinalay

Los Reyes, la Paz, 23 de marzo de 2010

PROGRAMA DE QUIMICA

Introducción 1 Unidad II. Conceptos básicos 2 1.Materia 2 1.2 Estado de agregación de la materia 3 1.3 Cambios de estado de agregación de la materia 5 1.4 Mezclas fases 8 Ejercicios de la unidad I 10 Unidad II. Teoría cuántica y estructura atómica. 11 2. Antecedentes de la teoría cuántica 11 2.1 Bases experimentales de la teoría cuántica 12 2.2 Teoría atómica de bohr 13 2.3 Mecánica cuántica 15 2.4 Los Números cuánticos 17 2.5 Configuraciones electrónicas 22 2.6 Principios de edificación progresiva de (Afbau) 24 2.7 Configuraciones cuánticas de algunos átomos 25 2.8 Configuración de Kernel 26 Ejercicios de la unidad II 27 Unidad III. Los elementos químicos clasificación periódica. Propiedades atómicas e impacto económico y ambienta.

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3.1. Antecedentes del surgimiento de la tabla periódica. 29 3.2. Clasificación periódica 32 3.3 Breve descripción de las propiedades y aplicaciones de algunos elementos de la Tabla Periódica

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3.4 Propiedades Periódicas de la tabla periódica. 34 3.5 Localización de los elementos 39 3.6 Elementos de importancia económica y ambiental de algunos elementos.

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3.7 Química del Silicio 46 3.8 Química del Germanio. 47 3.9 Química del Galio. 48 Ejercicios de la unidad III 49 Unidad IV. Interpretara el comportamiento (propiedades físicas y reactividad) de los compuestos químicos.

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4.1 Concepto de enlace químico 54 4.2 Regla del octeto. 54 4.3 Estructura de Lewis 55 4.4 Tipos de enlaces químicos 56 4.5 Enlace Iónico 56 4.6 Enlace covalente 58 4.7 Hibridación de los orbitales: Teoría de la hibridación. formación, 65

representación y características de los orbitales híbridos: sp3, sp2, sp, d2sp3, dsp2, sd3, dsp3 4.8 Enlace metalico 69 4. 9 Propiedades de algunos conductores y aislantes. 72 4.10 Semiconductores y aislantes 75 4.11. Fuerzas intermolecualres. 77 Ejercicios de la unidad IV 82 Unidad V. Compuestos químicos: Tipos nomenclatura, reacciones e impacto económico y ambiental.

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5.1 La Nomenclatura Química. 85 5.2 Tipos de nomenclatura 86 5.3 Valencia estequiométrica 87 5.4 Clasificación de las combinaciones. 89 5.5 Criterios para nombrar a las combinaciones 89 5.6 Hídridos ácidos o Hidrácidos. 89 5.7 Sales de Hidrácidos. 91 5.8 Combinaciones binarias oxigenadas 92 5.9 Combinaciones ternarias. 93 5.10 Reacciones química 96 5.11 Tipos de reacciones químicas 97 Ejercicios de la unidad V 99 Unidad v. Estequimetría. 103 6.1 Conceptos Básicos de estequiometria 103 6.2 Leyes Ponderales 104 6.3 Ley de la conservación de la masa (o de Lavoisier) 104 6.4 Ley de las proporciones definidas (o de Proust). 105 6.5 Ley de las proporciones múltiples (o de Dalton). 105 6.6 Ley de las proporciones recíprocas ( de Richter) 106 6.7 Balanceo por inspección (tanteo). 107 6.8 Balanceo de ecuaciones por el método de óxido-reducción 109 6.9 Concepto de oxidación y reducción. 112 6.10 Cálculos estequiometricos en reacciones químicas 114 6.11 Reactivo limitante 117 Ejercicios de la unidad VI 120

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INTRODUCCIÓN La química es la ciencia que estudia las propiedades de los materiales y los

cambios que sufren éstos. Uno de los atractivos de aprender química es ver

cómo los pr incipios químicos operan a t odos los aspectos de nuestra v ida.

Desde las actividades cotidianas como el agua que bebemos, el prender la

estufa, el us o de l as pi las, has ta c uestiones m ás trascendentes c omo el

desarrollo de fármacos para curar el cáncer.

Por l o a ntes m encionado la química permite obt ener un ent endimiento

importante de nuestro mundo y su funcionamiento. Se t rata de una c iencia

práctica que ha t enido una i nfluencia enorme sobre la v ida del hombre, así

como su progreso y la causa de las sustancias contaminantes producidas en

los pr oceso d e pr oducción. D e h echo, l a q uímica es tá en el c entro d e

muchas cuestiones que preocupan a casi todo el mundo; el mejoramiento de

la atención médica, la conservación de l os recursos naturales, la protección

del medio am biente, l a s atisfacción d e n uestras necesidades diarias e n

cuanto a alimentos, vestido y albergue que permitan tener una calidad vida.

Por l o tanto el pr ograma d e q uímica para l a c arrera d e I ngeniería en

sistemas t iene por objetivo: adquirir l os c onocimientos básicos s obre l a

estructura de l os c ompuestos q uímicos de t ipo inorgánicos, así c omo s u

nomenclatura, pr opiedades f ísicas, r eactividad e i mpactos ec onómico y

ambiental.

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UNIDAD I. CONCEPTOS BÁSICOS. Objetivo de aprendizaje Adquirir lo s conceptos bás icos d e q uímica q ue p ermitan c omprender l as propiedades estructurales de compuestos y materiales, y su influencia en sus propiedades físicas, químicas, eléctricas. Así como su impacto económico y ambiental y en el desarrollo de nuevos materiales. Objetivo: El alumno reconocerá los elementos básicos para comprender la química. 1. Materia La mayoría de l as formas de materia con l as q ue c onvivimos n o s on sustancias puras químicamente. Por ejemplo el aire que respiramos, el agua que bebemos y la ropa que nos ponemos, no son químicamente puras, s in embargo las podemos descomponer en diferentes sustancias puras. Una s ustancia p ura es m ateria q ue c ontiene una c omposición f ísica y propiedades c aracterísticas. P or ej emplo el ag ua y l a s al de m esa, l os principales componentes del agua de mar son sustancias puras. Podemos c lasificar l as s ustancias c omo el ementos o c ompuestos. L os elementos son s ustancias puras que n o s e pue den d escomponer en sustancias m ás s imples, por medios físicos o q uímicos, c ada el emento se compone de un solo tipo de átomo. Los compuestos son s ustancias puras q ue es tán c ompuestas dos o m ás elementos combinados químicamente en una proporción definida de masa, y por lo tanto contienen dos clases de átomos. La mayor parte de la materia consiste en mezclas de di ferentes sustancias. Las mezclas son combinaciones de dos o más sustancias en l as que cada sustancia c onserva s u pr opia i dentidades q uímicas y por l o tanto s us propiedades. M ientras que las sustancias puras t ienen composiciones f ijas, la composición de las mezclas puede variar. Por ejemplo cuando se elabora un agua de frutas puede contener mucha o poca azúcar. Las mezclas s e p ueden pr esentar de dos t ipos l as homogéneas y heterogéneas; las pr imeras s on una c ombinación uniforme de d os o m ás sustancias (no s e di stinguen l as fases q ue las c omponen), por ej emplo u n café el cual está conformado por agua, café, azúcar y leche. La heterogénea es aquella en donde se distinguen las fases que la conforman, por ejemplo a agua y arena De ac uerdo con l o a ntes mencionado t odo l o q ue n os r odea es materia l a cual se c lasifica de conforme es tá es tructurada y a sus ca racterísticas que

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presenta, l a c ual p uede existir en c ualquiera de l os tres es tados físicos: sólidos, líquidos y gaseosos. 1.2. Estados de agregación de la materia En física y q uímica se o bserva q ue, para c ualquier c uerpo o ag regado material considerado, modificando las condiciones de temperatura, presión o volumen s e pu eden obtener di stintos es tados, denominados es tados d e agregación de l a m ateria, c on c aracterísticas pec uliares. Según l a t eoría cinética: La m ateria es discontinua: es tá formada po r peq ueñas par tículas ent re l as cuales hay grandes espacios, estas partículas están en continuo movimiento. La velocidad (por lo tanto, la energía c inética) de l as par tículas aumenta a l aumentar la temperatura, lo permite la presencia de los estados que tienen la materia. Estado sólido Manteniendo c onstante l a presión, a baja t emperatura l os c uerpos s e presentan en forma s ólida t al q ue l os át omos s e encuentran ent relazados formando g eneralmente es tructuras c ristalinas, l o q ue c onfiere al c uerpo l a capacidad de soportar fuerzas s in d eformación a parente; s on por tanto agregados generalmente rígidos, duros y resistentes. También señalaremos que los sólidos presentan propiedades específicas:

• Elasticidad: U n s ólido r ecupera s u forma original c uando es deformado. Un elástico o u n resorte son objetos en los que podemos observar esta propiedad. Estira un elástico y observa lo que sucede.

• Fragilidad: U n s ólido pue de r omperse en m uchos p edazos (quebradizo). E n m ás de un a oc asión h abrás q uebrado un v aso de vidrio o un obj eto de greda. Estos hechos representan la fragilidad de un sólido.

• Dureza: Un sólido es duro cuando no puede ser rayado por otro más blando. El di amante de una j oya v aliosa o el utilizado p ara c ortar vidrios presenta dicha propiedad

• Las partículas se encuentran muy próximas y en posiciones fijas. • La movilidad es escasa: las partículas sólo pueden vibrar. • Tienen forma propia. • No se pueden comprimir, su volumen es constante, aunque se dilatan

ligeramente al calentarlos. ¿Sabrías explicar por qué? • La di latación s e pr oduce porque al a plicar c alor l as par tículas

adquieren una mayor movilidad y se separan, provocando un aumento del v olumen. E n l a contracción oc urre l o c ontrario, es dec ir, las partículas se enfrían, por lo que t ienen menor agitación, uniéndose o aproximándose las unas a l as otras, lo que provoca una disminución del volumen.

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Fig.1.1 Estado sólido

Estado líquido Incrementando l a t emperatura el s ólido se v a des componiendo h asta desaparecer l a es tructura c ristalina al canzándose el es tado l íquido, c uya característica pr incipal es l a c apacidad de fluir y adapt arse a la f orma de l recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe una cierta ligazón entre los átomos del cuerpo, aunque de mucha menor intensidad que en el caso de los sólidos. Las partículas se encuentran próximas, pero sus posiciones no son fijas. La m ovilidad es m ayor: l as par tículas p ueden vibrar y desplazarse unas respecto a otras pero sin perder el contacto. Como c onsecuencia de es to, l os l íquidos: Se adaptan a l a forma del recipiente que los contiene. No se pueden comprimir, su volumen es constante, aunque al calentarlos se dilatan algo más que los sólidos.

Fig. 1.2 Estado líquido

Estado gaseoso Incrementando aún más la temperatura se alcanza el es tado gaseoso. Los átomos o m oléculas del gas se encuentran virtualmente libres de modo que son capaces d e oc upar t odo el es pacio del r ecipiente q ue l o c ontiene, aunque con mayor propiedad debería decirse que se distribuye o reparte por todo el espacio disponible. Las partículas se encuentran muy separadas y sus posiciones no son fijas. La movilidad es muy grande: las partículas pueden vibrar y trasladarse unas respecto a otras.

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Como consecuencia de esto, los gases: se adaptan a la forma y al volumen del recipiente que los contiene. Se pueden comprimir, su volumen no es constante. Al calentarlos se dilatan más que los sólidos y los líquidos.

Fig. 1.3. Estado gaseoso

Plasma Al plasma se le llama a veces "el cuarto estado de la materia", además de los tres conocidos, sólido, líquido y gas. Es un gas en el que los átomos se han roto, que está formado por electrones negativos y por iones positivos, átomos que han perdido electrones y han quedado con una carga eléctrica positiva y que están moviéndose libremente. 1.3.- Cambios de estado de la materia Cuando un cuerpo, por acción del calor o del frío pasa de un estado a otro, decimos q ue ha c ambiado de es tado. En el c aso d el ag ua: c uando h ace calor, el hielo se derrite y si calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado en que se encuentran las sustancias. Si se calienta un sólido, l lega un m omento en que se transforma en líquido. Este pr oceso r ecibe el nom bre d e fusión. E l punto de fusión es l a temperatura q ue debe al canzar un a s ustancia s ólida par a fundirse. C ada sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal. Si c alentamos un l íquido, s e transforma en g as. E ste pr oceso r ecibe el nombre de vaporización. Cuando la vaporización tiene lugar en toda la masa de l íquido, f ormándose bur bujas d e v apor en s u i nterior, s e den omina ebullición. También l a t emperatura de ebullición es c aracterística d e c ada sustancia y s e deno mina punto de ebullición. E l pu nto de e bullición del agua es 100 °C a la presión atmosférica normal.

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Son las transformaciones en las que la materia pasa de un estado a otro.

Sólido Líquido Gas

Hacia la derecha las trasformaciones implican un incremento de la energía cinética de las moléculas (las moléculas se mueven más deprisa). Se d enominan c ambios pr ogresivos, p ara producir es tos c ambios hay q ue suministrar energía Hacia la izquierda las t rasformaciones implican un descenso de la energía cinética de las moléculas (las moléculas se mueven más despacio). Se de nominan c ambios r egresivos, a l producirse es tos c ambios s e desprende energía. La energía que se absorbe o desprende, por unidad de masa, en los cambios de estado se denomina calor latente. Existen dos formas de vaporización: Se llama ebullición cuando ocurre a una temperatura determinada y afecta a toda la masa del líquido. Se d enomina evaporación cuando s ólo a fecta a l a s uperficie; ocurre a cualquier temperatura. Curvas de calentamiento y enfriamiento Son g ráficas q ue r epresentan l a variación de temperatura con el tiempo al calentar o enfriar una sustancia. Estas c urvas r eflejan q ue mientras s e pr oduce u n cambio de e stado la temperatura no varía. Esto s e debe a q ue toda l a en ergía s e des tina a pr ovocar el cambio d e estado. En l os c ambios de estado s e c onsume o d esprende mucha e nergía ( calor latente de cambio de estado), mucha más de la que se emplea o desprende al calentar o enfriar la sustancia s in que se produzca un cambio de es tado (calor específico). El calor específico de una sustancia es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de esa sustancia para elevar un grado centígrado su temperatura. Efecto de la presión sobre las temperaturas de cambio de estado. Si la presión se mantiene constante, la temperatura de cambio de estado de una sustancia determinada es constante. Estas temperaturas de cambio de estado se conocen como punto de fusión, punto de congelación, punto de ebullición o punto de c ondensación, según cuál sea el cambio de estado que se produce.

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Salvo c ontadas ex cepciones, e ntre l as c uales es tá el c aso del ag ua, un aumento d e la presión implica una elevación de la temperatura de fusión/congelación y de ebullición/condensación. De i gual m anera, u n descenso de la presión implica u n descenso de la temperatura de cambio de estado. ¿Eres capaz de ex plicar este efecto de la presión sobre la temperatura a la que s e produce u n c ambio de es tado a plicando l os pr incipios d e l a t eoría cinética molecular? Al au mentar la pr esión l as par tículas t ienen m ayor di ficultad p ara adq uirir mayor m ovilidad y para di stanciarse un as de ot ras. A l di sminuir l a pr esión ocurre lo contrario.

Fig. 1.4 Cambios de estado de la materia

Los c ambios de estado des critos también se pr oducen s i se i ncrementa l a presión manteniendo constante la temperatura, así, por ejemplo, el hielo de las pi stas s e funde p or e fecto d e l a presión ej ercida p or el p eso de l os patinadores haciendo el agua líquida así obtenida de lubricante y permitiendo el suave deslizamiento de los patinadores. Para c ada el emento o c ompuesto q uímico ex isten unas d eterminadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace referencia únicamente a l a temperatura de cambio de es tado, que ésta se refiere a l a presión de 1 a tm (la pr esión a tmosférica). D e es te m odo, en c ondiciones normales ( presión

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atmosférica y 20 ºC) hay compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso. Fusión. Es el p aso de un s ólido al estado l íquido por m edio d el c alor. E l proceso i nverso es la solidificación y se produce por el enfriamiento de un líquido. Las temperaturas a que se funde o solidifica un cuerpo se denominan punto de fusión y punto de solidificación. Vaporización. Es el paso de un líquido al estado gaseoso. Si el cambio de estado s e produce e n l a s uperficie del l íquido, el f enómeno se denomina evaporación, pero s i participan todas las moléculas de la masa l íquida, se denomina ebullición. Licuefacción. Es el c ambio de es tado de g as a l íquido y par a el lo e s necesario comprimir el gas y enfriarlo por debajo de su temperatura crítica. Sublimación. Es el pasaje directo del estado sólido al estado de vapor. Este cambio s e pr oduce con mayor v elocidad au mentando l a temperatura y disminuyendo l a pr esión. E l pas aje e n s entido op uesto, e s dec ir l a solidificación de un vapor se obtiene por enfriamiento y compresión. Solidificación. Es en el cambio de es tado de la materia de líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusión. 1.4. Mezclas y fases Todo lo que existe en el universo está compuesto de Materia. La Materia se clasifica en Mezclas y Sustancias Puras. Las Mezclas son combinaciones de sustancias pur as en proporciones v ariables, m ientras q ue l as sustancias puras comprenden los compuestos y l os elementos. Los compuestos es tán formados por una combinación de elementos en una proporción definida. Si s e h ace r eaccionar S odio ( Na) c on Cloro ( Cl2) s e obt endrá N a1Cl1 exclusivamente y no sustancias tales como Na0.5Cl2.3 o mezclas raras. Las Mezclas se c lasifican en Mezclas Homogéneas (Soluciones) y Mezclas Heterogéneas. En una Mezcla Heterogénea pueden distinguirse con facilidad las di ferentes fases que f orman l a M ezcla, m ientras q ue e n u na M ezcla Homogénea no hay distinción de fases. Las Mezclas se separan en sus componentes por procesos físicos, mientras que l os C ompuestos s e s eparan en s us c onstituyentes por pr ocesos químicos En una mezcla homogénea no se distinguen diferencias entre sus partes, por ejemplo: El vino, la leche, el agua de mar son mezclas homogéneas. A las m ezclas ho mogéneas c uyo es tado final es l íquido s e l es suele llamar disoluciones.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_de_estado�http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido�http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido�http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_(cambio_de_estado)�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#materia�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#mezcla�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#compuesto�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#elemento�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#homo�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#hetero�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#hetero�http://www.ur.mx/cursos/diya/quimica/jescobed/defcap1.htm#fase�

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Sin embargo, en una mezcla heterogénea se distinguen claramente partes diferentes dado que estas poseen distinta naturaleza, es decir, no tienen las mismas pr opiedades características. S on ejemplos: l a t ierra, l a m ayoría de las rocas, una mezcla de agua y aceite.

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EJERCICIOS DE LA UNIDAD I

1.- Define los siguientes conceptos: materia, elemento, compuesto. 2.- Explica que permite que se presente el estado de agregación de la materia. 3.- Elabora un cuadro indicando las características de los estados de la materia. 4.- Define que es el punto de fusión y ebullición 5.- Identifique c ada u na de l as s iguientes sustancias c omo, g as, l íquido o sólido a) Oxígeno b) Cloruro de sodio c) Mercurio d) Dióxido de carbono 6.- Indique el es tado de l a materia p ara c ada un a de l as siguientes sustancias en condiciones de presión y temperatura. a) Helio b) Cobre c) alcohol isopropilico d) Bicarbonato de sodio 7.- Clasifique cada una de las siguientes como sustancias pura o mezcla; si es mezcla indique si es homogénea o heterogénea. a) Concreto b) Agua de mar c) Magnesio d) Gasolina. 8.-. Señala la afirmación correcta. a) Los sistemas homogéneos son mezclas homogéneas. b) Los elementos se pueden descomponer en otras sustancias puras. c) Las disoluciones son mezclas de sustancias puras d) En una disolución el soluto es el componente que se encuentra en mayor cantidad. 9. Señala la afirmación correcta. a) Los constituyentes de una mezcla se encuentran siempre en la misma proporción. b) En las sustancias puras la temperatura de cambio de estado se mantiene constante mientras que en las disoluciones no se mantiene constante. c) En las mezclas la temperatura de cambio de estado se mantiene constante mientras que en las sustancias puras no se mantiene constante. d) Los medios físicos producen alteración de las sustancias que queremos separar en una mezcla. e) En una mezcla, la densidad de la misma es igual a la densidad de cada uno de sus componentes.

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UNIDAD II. TEORIA CUÁNTICA Y ESTRUCTURA ATÓMICA. Objetivo: Relacionará las bases de la teoría atómica moderna en su aplicación para el conocimiento la estructura atómica, orbitales Atómicos, configuración electrónica. 2. Antecedentes de la teoría cuántica. Gran parte de lo que ahora conocemos sobre la estructura electrónica de los átomos pr ovienen d el anál isis de l a l uz em itida o absorbida por l as sustancias. P or t anto, par a c omprender l a es tructura el ectrónica, pr imero debemos aprender acerca de la luz. A mediados del siglo XVII el científico Isacc Newton hizo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma. Descubrió que el prisma separaba la luz en una serie de c olores di ferentes que denominó espectro visible; en la década de 1850 Robert Bunsen calentó muestras de diversos elementos, en cada caso, conforme un elemento se calentaba más y más y empezaba a brillar producía luz de su propio color característico. Cuando la luz del elemento calentado se hacía pasar a través del prisma, se separaba en una serie de líneas brillantes y distintivas de diversos colores. El es pectro pr oducido por l a l uz s olar s e d enomina u n es pectro c ontinuo, debido a que un color se fusiona con el siguiente sin ningún vacío o colores faltantes. El espectro de Bunsen se denomina de línea, debido a que es una serie de l ínea br illante s eparadas p os ba ndas os curas. E stos es pectros resultaron d e g ran ut ilidad a l os c ientíficos par a i dentificar el ementos e n muestras desconocidas. El análisis de los espectros de línea les ha permitido a los científicos identificar los elementos que componen al sol, las estrellas y otros c uerpos ex traterrestres. E sta técnica t ambién útil en l aboratorios d e química para identificar los elementos presentes en muestras desconocidas. El espectro electromagnético se incluían ondas tanto visibles como invisibles, cada una asociada con una di ferente cantidad de energía. Por ejemplo, los rayos X s on ondas i nvisibles c on s uficiente energía par a at ravesar l a pi el pero no l os h uesos. Las microondas t ambién s on ondas i nvisibles, p ero tienen suficiente energía para calentar los alimentos. Como hemos observado que la luz es una forma de energía y que la energía puede convertirse de una forma a ot ra. Por ejemplo, una celda fotoeléctrica convierte energía luminosa a energía eléctrica. La energía también puede ser absorbida y después remitida. En los experimentos de Bunsen se hacía que cada elemento absorbiera energía en la forma de calor. Cuando el elemento se calentaba lo suficiente, emitían esta energía como luz. Los c ientíficos t odavía s e pr eguntaban p or q ué l os el ementos e mitían espectros en l íneas en v ez de es pectros c ontinuos, y s e pr eguntaban q ué partícula subatómica causaba los espectros en línea.

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Espectro de Luz Blanca

Fig. 2.1 Longitudes de onda de radiación electromágnetica

En 1900, el físico Max Plan sugirió que aunque la luz parece continua no lo es. Decía que l a radiación el ectromagnética puede considerarse como una corriente de paquetes diminutos de energía l lamados cuantos, los paquetes más pequeños de energía asociados con una forma particular de radiaciones electromagnéticas, y cada u no c ontiene u na c antidad es pecífica y f ija d e energía y tiene su propia longitud de onda. Niels Bohr usaba el concepto de cuantos para explicar los espectros en líneas de los elementos. 2.1.- Bases experimentales de la teoría cuántica. Teoría cuántica, teoría física basada en la utilización del concepto de unidad cuántica par a des cribir l as pr opiedades di námicas d e l as par tículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la t eoría fueron s entadas p or el físico al emán M ax P lanck, q ue en 1900 postuló q ue l a m ateria s ólo pue de e mitir o abs orber en ergía en peq ueñas

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unidades di scretas l lamadas c uantos. O tra c ontribución f undamental al desarrollo d e l a t eoría fue el pr incipio d e incertidumbre, f ormulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que af irma que no es pos ible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica 2.2- Teoría atómica de Bohr. ¿Cómo pu eden encontrarse l os el ectrones en l os át omos de forma q ue absorban y emitan energía como cuantos? Para resolver esta pregunta, Bohr sugirió q ue l os el ectrones d eben h allarse en ór bitas d e c ierto t amaño, moviéndose a c ierta velocidad. Entonces, l os electrones deben tener c ierta energía. S i el el ectrón absorbe energía, se m overá en u n órbital de mayor energía y más alejada del núcleo. Si pierde energía, el electrón se moverá en otra órbita más cercana al núcleo. La teoría cuántica indujo la idea de que los electrones en l as or bitas, t ienen un a c antidad de en ergía ( se di ce q ue l os electrones s e encuentran en c iertos ni veles de e nergía). B ohr ap lico es tas ideas al á tomo de hidrógeno y c alculo matemáticamente c ual s ería l a frecuencia de la radiación emitida por el hidrógeno, desafortunadamente, esa teoría no funciono también con elementos cuyos átomos son más complejos que los del hidrógeno. Como resultado del trabajo teórico y experimental, se ha l legado a desarrollar una r epresentación de l a es tructura atómica, q ue explica en f orma satisfactoria los fenómenos químicos. Más que describir al electrón como si se encontrase en un orbital perfectamente definido, la nueva teoría cuántica sugiere que existen en regiones que se conocen como capas. Cada c apa t iene l a c apacidad par a contener a m ás de un el ectrón, au n cuando ex iste un límite superior, d ependiendo de l a c apa q ue s é es te considerando. A diferencia de la órbita, una capa tiene una ubicación menos definida alrededor del núcleo. El físico da nés Niels B ohr (Premio N obel d e F ísica 1922) , p ostuló q ue l os electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. En ese caso, l os el ectrones s e di sponen en diversas ór bitas c irculares, l as c uales determinan diferentes niveles de energía. Para Bohr, la razón por la cual los electrones que circulan en los átomos no satisfacen las leyes de la electrodinámica clásica, es porque obedecen a las leyes de l a mecánica cuántica. Sin duda, giran en torno del núcleo atómico, pero c irculan ú nicamente s obre ór bitas tales q ue s us i mpulsos r esultan determinados por múltiplos enteros de la constante de Planck. Los electrones no r adian d urante t odo el t iempo en q ue d escriben s us ór bitas; s olamente cuando el electrón salta de una órbita a otra, más cercana del núcleo, lanza un c uanto de l uz, un fotón. E mitidos por l os át omos de g ases incandescentes, son los fotones los que engendran las rayas espectrales, y Bohr tuvo el portentoso acierto de poder explicar las rayas del hidrógeno. En efecto, l as l ongitudes de o nda de es tas líneas es pectrales s e v uelven calculables a partir del modelo de átomo cuantizado por Bohr, que interpreta también el origen de los espectros elementales embrionados por los rayos X.

http://www.astrocosmo.cl/biografi/b-n_bohr.htm�

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Gracias a l a c uantización d e s u átomo, l ogró el g ran éx ito d e e xplicar l as líneas espectrales del hidrógeno. Planck descubrir en el concepto del cuanto la l lave, por t anto t iempo buscada e n v ano, de l a puerta de e ntrada del maravilloso paí s de l a es pectroscopia, q ue resistiera desde l os t iempos d e Kirchhoff y Bunsen todas las tentativas para abrirla. La teoría or iginal debía sufrir numerosas y profundas modificaciones; mas, sin el genio de Bohr, sin "la l lave q ue abrió l a p uerta", el pr ogreso ul terior, q ue el g ran t eórico dinamarqués no dejó de orientar, no hubiera sido posible. Pero antes que Bohr lograra explicar las líneas espectrales del hidrógeno, el maestro s uizo de dibujo de una es cuela d e B asilea J ohann J acob B almer, logró es tablecer e n 1 885, el m ismo a ño e n q ue nac iera Bohr u na s imple relación numérica, que ligaba las longitudes de onda de las rayas espectrales del átomo de hidrógeno. En este descubrimiento fruto de tanteos aritméticos y pi tagóricos s e es condían c onocimientos que es te pr ofesor de di bujo y paciente buscador estaba lejos de sospechar. Su fórmula, generalizada por su compatriota Walter Ritz (1908), permitió prever, no sólo la sucesión de las líneas en el es pectro v isible, s ino t ambién s eries de el las en el es pectro invisible –ultravioleta e infrarrojo– del hidrógeno. En los años s iguientes el desarrollo del modelo del átomo de hidrógeno, la naturaleza dual de la energía radiante se convirtió en un c oncepto conocido. Dependiendo de las circunstancias experimentales, la radiación parece tener un c arácter ondulatorio o de par tícula ( fotón). Luis d B roglie, ex tendió audazmente esta idea. Si en l as condiciones apropiadas la energía radiante se p odía c omportar c omo s i fuera un a c orriente de par tículas, ¿podría l a materia, en condiciones apropiadas, exhibir l as propiedades de una onda?, Supongamos que consideramos al electrón en órbita alrededor del núcleo de un átomo de hidrógeno Como una onda, con una longitud de onda característica. De Broglie sugirió que el electrón que el electrón en su trayectoria circular alrededor del núcleo tiene asociada una longitud de onda específica, y propuso que la longitud de onda característica del electrón o de cualquier partícula depende de su masa m y su velocidad v h λ = mv Ecuación 2.1 La cantidad de mv para cualquier objeto es su momento ímpetu. De Broglie utilizó el t érmino o ndas de materia p ara des cribir l as c aracterísticas ondulatorias de las partículas materiales. Puesto que la hipótesis de De Broglie es aplicable a toda la materia cualquier objeto c on m asa y v elocidad d aría or igen a u na onda d e m ateria característica. S in embargo la ecuación formulada indica que la longitud de

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onda asociada a un objeto de tamaño ordinario, como una pelota de golf, es tan pequeña que está más allá del alcance de cualquier posible observación. Esto no sucede con el electrón porque su masa es muy pequeña. Esta predicción f ue verificada ex perimentalmente poc os años después p or los f ísicos es tadounidenses C linton D avisson y Les ter H albert Germer y el físico br itánico George P aget T homson, q uienes m ostraron q ue un haz de electrones di spersado por un c ristal da l ugar a un a figura de difracción característica de una onda. El descubrimiento de las propiedades ondulatorias de la materia hizo surgir nuevas e i nteresantes pr eguntas ac erca de l a f ísica c lásica. C onsiderando que una p elota r ueda hac ia a bajo p or una r ampa, po demos c alcular exactamente l a posición d e l a pel ota, s u di rección de m ovimiento y s u rapidez en cualquier instante. ¿Podemos hacer lo mismo con un electrón que exhibe propiedades ondulatorias? Una onda se extiende en el espacio, y su posición no está definida con precisión. Por lo tanto, podemos esperar que sea imposible determinar exactamente dónde está ubicado un electrón en un instante específico. El f ísico a lemán Wener Heinsenberg llegó a l a conclusión de que la doble naturaleza de la materia impone una limitante fundamental a la precisión con que podemos conocer tanto posición como el momento de cualquier objeto. La l imitante es i mportante s ólo c uando t ratamos c on materia e n el ni vel subatómico, es decir cuando la masa están pequeña como la de un electrón. El postulado de Heinsenberg se conoce como principio de incertidumbre. Si aplicamos este principio a los a los electrones de un átomo, nos dice que es imposible c onocer s imultáneamente t anto el m omento ex acto d el el ectrón como su posición exacta en el espacio.

2.3 Mecánica cuántica La hipótesis de De Broglie y el principio de de incertidumbre de Heinsenberg prepararon el escenario para una nueva teoría de la estructura atómica. El c oncepto o ndulatorio de l as par tículas l levó al f ísico aus triaco Erwin Schrödinger a des arrollar una “ecuación de onda ” para de scribir l as propiedades on dulatorias de un a p artícula y , m ás c oncretamente, el comportamiento ondulatorio del electrón en el átomo de hidrógeno. Aunque es ta ec uación diferencial er a c ontinua y pr oporcionaba s oluciones para todos los puntos del espacio, las soluciones permitidas de la ecuación estaban r estringidas por c iertas c ondiciones ex presadas p or e cuaciones matemáticas llamadas funciones propias o eigenfunciones (del alemán eigen, propio). A sí, l a ec uación de onda d e S chrödinger s ólo t enía d eterminadas soluciones discretas; estas soluciones eran expresiones matemáticas en las que l os núm eros c uánticos a parecían c omo par ámetros ( los núm eros cuánticos s on nú meros ent eros i ntroducidos en l a f ísica de par tículas pa ra

http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761575224/George_Thomson.html�http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761569552/Difracci%C3%B3n.html�http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761555158/Erwin_Schr%C3%B6dinger.html�http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761555158/Erwin_Schr%C3%B6dinger.html�

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indicar l as magnitudes de determinadas c antidades c aracterísticas de l as partículas o sistemas). La ec uación de S chrödinger s e r esolvió par a el át omo d e hi drógeno y di o resultados q ue e ncajaban s ustancialmente con l a t eoría c uántica ant erior. Además, t enía s olución par a el át omo d e hel io, q ue l a t eoría anterior n o había l ogrado ex plicar de forma adecuada, y t ambién en este c aso concordaba con los datos experimentales. Las soluciones de la ecuación de Schrödinger t ambién indicaban q ue n o po día haber d os el ectrones q ue tuvieran sus cuatro números cuánticos iguales, esto es, que estuvieran en el mismo es tado e nergético. E sta r egla, q ue y a habí a s ido e stablecida empíricamente p or Wolfgang P auli en 1 925, s e c onoce c omo principio de exclusión Posteriormente, S chrödinger demostró q ue l a m ecánica ondulatoria y l a mecánica de matrices son versiones matemáticas di ferentes de una misma teoría, hoy denominada mecánica cuántica. Incluso en el caso del átomo de hidrógeno, formado por s ólo dos partículas, am bas i nterpretaciones matemáticas son muy complejas. El siguiente átomo más sencillo, el de helio, tiene t res par tículas, e i ncluso en el s istema m atemático r elativamente sencillo de l a di námica c lásica, el problema de l os t res c uerpos ( la descripción d e l as i nteracciones mutuas de t res c uerpos di stintos) no s e puede resolver por completo. Sin embargo, sí es posible calcular los niveles de en ergía. A l apl icar l a m atemática mecánica cuántica a s ituaciones complejas, los f ísicos pueden emplear alguna de las muchas formulaciones matemáticas. La elección depende de la conveniencia de la formulación para obtener soluciones aproximadas apropiadas. Aunque la mecánica cuántica describe el átomo exclusivamente a través de interpretaciones matemáticas de los fenómenos observados, puede decirse a grandes rasgos que en la actualidad se considera que el átomo está formado por un núc leo r odeado por una s erie de o ndas es tacionarias; e stas ond as tienen m áximos en puntos determinados, y cada ond a es tacionaria representa una órbita. El cuadrado de l a amplitud de l a onda en c ada punto en u n momento dado es una medida de la probabilidad de que un electrón se encuentre allí. Ya no puede decirse que un electrón esté en un punto determinado en un momento dado. La s olución c ompleta de l a ec uación de Schödinger par a el átomo de hidrógeno produce un c onjunto d e funciones de on da con s us correspondientes e nergías. E stas funciones de on das s e denominan orbitales. Cada or bital describe una di stribución es pecífica de densidad electrónica en el espacio, dada por su densidad de probabilidad. Por lo tanto, cada orbital tiene una energía y una forma característica.

http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761553051/Wolfgang_Pauli.html�http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761570580/Principio_de_exclusi%C3%B3n.html�http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761570580/Principio_de_exclusi%C3%B3n.html�

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El m odelo d e B ohr i ntrodujo s ólo un número c uántico n para des cribir u n órbita. El modelo de la mecánica cuántica emplea tres números cuánticos, l, m,s. Orbital atómico: es la r egión del espacio próxima al núcleo atómico en la que es muy probable se encuentre el electrón con determinada energía. Se lla ma estructura el ectrónica a l a di stribución, en un át omo de u n elemento, de sus electrones en los distintos orbitales. Los números c uánticos son l os q ue d efinen a l os or bitales atómicos y aparecen de l a r esolución de l a ecuación de ondas. S u s ignificado es el siguiente: 2.4 Los Números Cuánticos Los nú meros c uánticos apar ecen en l as soluciones d e l a ec uación de Schrödinger. C ada el ectrón p osee 4 números c uánticos en v irtud d e s u posición, por t anto s egún el principio de exclusión de Pauli no pu ede haber 2 el ectrones c on l os c uatro nú meros c uánticos i guales dentro del átomo, estos son: n, l, m, s. Número cuántico n. El número cuántico principal determina el tamaño de las órbitas, por tanto, la distancia al núcleo d e un el ectrón v endrá det erminada por es te nú mero cuántico. Todas las órbitas con el m ismo número cuántico pr incipal f orman una capa. Su valor puede ser cualquier número na tural mayor que 0 (1, 2 , 3…) y dependi endo d e s u v alor, c ada c apa r ecibe c omo des ignación u na letra. Si el número cuántico Principal es 1, la capa se denomina K, si 2 L, si 3 M, si 4 N, si 5 P, etc. Cada órbita se corresponde con un nivel energético que recibe el nombre de número cuántico principal, se representa con la letra “n”

Fig. 2.2 Número cuántico “n”

Una capa se divide en subcapas correspondientes a los diferentes valores de

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Numero cuántico l. El número cuántico azimutal determina la excentricidad de l a órbita, cuanto mayor sea, más excéntrica será, es decir, más aplanada será la el ipse que recorre el el ectrón. Su v alor dep ende d el nú mero c uántico principal n , pudiendo variar desde 0 hasta una unidad menos que éste (desde 0 hasta n-1)

Fig. 2.3 Número cuántico “l”

Número cuántico m. El nú mero c uántico magnético de termina l a or ientación es pacial de l as órbitas, de las elipses. Su valor dependerá del número de elipses existente y varía desde -l hasta l.

Fig. 2.4 Número cuántico “m”

El c onjunto de es tos t res n úmeros c uánticos d eterminan l a forma y orientación de l a órbita que describe el el ectrón y que se denomina orbital cuando l = 0, se llama orbital s; si vale 1, se denomina orbital p, cuando 2 d,

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si su valor es 3, se denomina orbital f, si 4 g , y así sucesivamente. Pero no todas las capa t ienen el mismo número de orbitales, el número de orbitales depende de la capa y, por tanto, del número cuántico n. Número cuántico S. Cada electrón, en un orbital, gira sobre sí mismo. Este giro puede ser en el mismo sentido que el de su movimiento orbital o e n sentido contrario. Este hecho se determina mediante un nuevo número cuántico, el número cuántico spin s, que puede tomar dos valores, 1/2 y -1/2.

Fig. 2.5 Número cuántico “s” Según el principio de exclusión de Pauli, en un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, así que en cada orbital sólo podr án c olocarse dos el ectrones ( correspondientes a l os valores de s 1/2 y -1/2) y en c ada c apa p odrán s ituarse 2n 2 electrones ( dos en c ada orbital). Los electrones más cercanos al núcleo están más fuertemente ligados a él y por l o t anto t ienen e nergía m ás peq ueña. P or ot ra par te l os át omos q ue tienen electrones en capas completas forman configuraciones muy estables.

Número cuántico Nombre Valores Significado

N Principal 1, 2, 3,… Nivel energético y tamaño del orbital

L Secundario 0, 1, 2,…, n-1 Subnivel energético y forma del orbital

M Magnético -l,…, 0,…, l Orientación espacial del orbital

S Spin -1/2, 1/2 Giro del electrón sobre sí mismo

Cuando dec imos que t odos l os orbitales que t ienen n=3 es tán en l a t ercer capa, además del conjunto de orbitales que tienen los mismos valores de n y l se llama subcapa. Cada subcapa se designa con un número y una letra (s, p, d, f que corresponde a los valores de l). La c apa c on número c uántico pr incipal n consiste en exactamente n subcapas. C ada s ubcapa c orresponde a u n v alor per mitido distinto d el l desde 0 has ta n -l. P or l o t anto, l a pr imera capa n=1, consiste en una s ola

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subcapa, la 1s (l=0); la segunda capa (n=2), consiste en dos subcapas, la 2s (l=0) y la 2p (l=1); la tercer capa consiste en tres capas, 3s, 3p y 3d. Cada subcapa consiste en un número específico de or bitales. Cada orbital corresponde a un valor permitido de m, distinto. Para un valor dado de l, hay 2l+1 valores permitidos de m, que va desde –l hasta l . Así cada subcapa s (l=0) consiste en un orbital; cada subcapa p ( l=1) consiste en tres orbitales, cada subcapa d (l=2) consiste en cinco orbitales. Los orbitales s El or bital de m ás b aja ener gía, el 1s , es es férico, q ue i ndica q ue l a probabilidad de encontrar un el ectrón al rededor del núc leo d isminuye conforme nos alejamos del núcleo en cualquier dirección.

Fig. 2.6. Forma del orbital s

Los orbitales p La distribución de la densidad electrónica de un orbital 2p, no es de forma esférica c omo el orbita s . E n v ez de el lo, l a densidad el ectrónica s e concentra en dos lados del núcleo, separada por un nodo en el núcleo; es decir, q ue t iene dos l óbulos. E s c onveniente r ecordar q ue n o es tamos diciendo nada acerca de cómo el electrón se mueve dentro del orbital. Cada par a par tir de n=2 tiene tres orbitales p: hay tres orbitales 2p, tres 3p etc. Los orbitales de una subcapa dada t iene el m ismo tamaño y la m isma forma pero diferente en su orientación espacial. Por lo regular representamos los or bitales p di bujando l a forma y or ientación de s u función de ond a. Resulta útil como éstos como los orbitales px, py y pz. El subíndice indica el eje sobre el cual está orientado. Al igual que en los orbitales s, el tamaño de los orbitales p aumenta al pasar de 2p a 3p a 4p etc.

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Fig. 2.7. Formas del orbital p

Los orbitales d y f Si n=3 o más encontramos los orbitales d ( para los cuales l= 2) . Hay c inco orbitales 3d, cinco 4d, etc. Los diferentes orbitales d d e un c apa dad t ienen distintas f ormas y orientaciones en el es pacio. Advierta q ue c uatro de l os orbitales d e t ienen formas s emejantes a un t rébol de c uatro h ojas, y que cada uno yace primordialmente en un plano. Los orbitales dxy, dxz y dyz están en los planos xy, xz, y yz, respectivamente, con los lóbulos orientados entre los ejes. Los lóbulos del orbital dx2-y2 también están en el plano xy, pero los lóbulos están orientados sobre los ejes x y y. El orbital dz2 es muy diferente de los otros cuatro orbitales d. Cuando n es 4 o mayor, hay s iete orbitales f equivalentes (para los cuales l=3). Las formas de los orbitales f son aún más complicadas que las de l os orbitales d.

Fig. 2.8. Formas de los orbitales d

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Fig. 2.9 Formas de los orbitales f

2.5. Configuración electrónica. Se r efiere a l a forma c omo l os el ectrones l lenan l os di versos niveles de energía del át omo y es l o q ue det ermina l a m anera c omo un átomo s e comportan químicamente. Por ejemplo tiene un electrón en el primer nivel de energía, esto se debe a que el primer nivel está asociado con la energía más baja. L os dos el ectrones del h elio t ambién es tán en el pr imer ni vel de energía. El litio, sin embargo, tiene tres electrones. Dos ellos van en el primer nivel de en ergía, pero uno debe i r al segundo nivel, puede contener sólo a dos electrones. Los átomos con 4 a 10 electrones t ienen 2 electrones en el primer nivel y los restantes en el segundo nivel. El neón, con 10 electrones, llena tanto el primero como el segundo nivel. Para entender más l a c onfiguración el ectrónica debemos ex aminar m ás a fondo l os s ubniveles de energía. E stos s ubniveles ag rupan el ectrones de acuerdo c on l a ener gía y l a c onfiguración el ectrónica muestra c uántos electrones t iene un átomo en las diversas energías como se muestra en l a siguiente figura.

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Fig. 2.10. Regla de las diagonales

El espacio que rodea al núcleo del átomo queda dividido en niveles (pisos), con s ubniveles ( apartamentos) y or bitales (habitaciones). C ada habitación puede estar ocupada por ninguno, uno o dos electrones (inquilinos). En el primer piso hay un único piso con un apartamento de una habitación. En el segundo piso hay dos apartamentos uno con una habitación y otro con 3 habitaciones Ejemplo: La configuración electrónica del aluminio (Z = 13)

12622 33221 pspss 1s 2s 2p 3s 3p Los electrones situados en el último nivel se llaman electrones de valencia y son los responsables de las propiedades químicas y del tipo de enlace que van a presentar. Para realizar la configuración electrónica de los electrones de un átomo de un el emento e n l os di stintos or bitales. Hay q ue s eguir l os s iguientes principios: Principio de ex clusión de Pauli: En un m ismo át omo no puede hab er dos electrones c on l os c uatro v alores de l os núm eros c uánticos i guales. P or tanto, en cada orbital sólo puede haber dos electrones con valores de s pin

contrarios, es decir, 21

=s y 21

−=s .

Al electrón que hace posible distinguir un elemento químico próximo anterior se le llama electrón diferencial. Esto define lo que es un elemento químico de

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acuerdo a su número atómico (Z). La actividad química de un el emento está determinada p or l os e lectrones q ue existan en l a c onfiguración e lectrónica externa. Principio de c onstrucción: l os el ectrones v an oc upando s ucesivamente l os orbitales en orden creciente de energía, teniendo en cuenta que cada orbital puede estar ocupado solamente por dos electrones que se han de diferenciar en el spin. Principio de máxima multiplicidad de Hund: Cuando en un subnivel existen varios or bitales, és tos s on pr imeramente semiocupados con u n el ectrón manteniendo s us s pines p aralelos ( electrones d esapareados), y e l emparejamiento d e el ectrones empieza c uando t odos l os orbitales es tán semiocupados. Los á tomos s e forman s iguiendo el pr incipio de edi ficación progresiva, es decir, cada átomo t iene un pr otón (p+) y por consiguiente, un electrón (e-) más que el anterior. E l principio de e dificación pr ogresiva s eñala q ue l os electrones deben acomodarse primero en los orbítales de menor energía, o sea, aquellos donde la suma de n+1 sea menor. Los orbítales se estructuran comenzando por el de menor energía. Una vez llenado el subnivel comienza a llenarse el siguiente, con energía más alta. 2.6. Principio de edificación progresiva (Aufbau) Llenado de los orbítales: L la nube electrónica de un á tomo se compone de diferentes niveles energéticos que se identifican con el número cuántico “n”. El nú mero c uántico “ s” des cribe el s pin el ectrónico en el s entido d e l as manecillas del reloj o en contra. Dos electrones solo pueden ocupar el mismo orbital si tienen spines opuestos. Los electrones de l a configuración electrónica externa (último nivel) son los de mayor importancia para efectuar los cambios químicos, como la formación de i ones, enl aces y r eactividad. D e t al m anera es i ndispensable es te conocimiento para la comprensión de la química. Ahora p uede es cribir l as c onfiguraciones el ectrónicas par a c ualquier elemento con cualquier número atómico: sencillamente l lenando primero los subniveles de energía más bajo, apoyándose en el principio de Aufbau. Todo lo q ue t iene q ue hac er es s eguir l as f echas di agonales, e mpezando e n l a parte superior izquierda. Es decir, el subnivel 1s, sellan primero, después el subnivel 2s , s eguido por l os s ubniveles 2 p, 3s , 3p , 4s , 3d , y 4p, y as í sucesivamente. Cuando s e es criben c onfiguraciones el ectrónicas, n o us amos pal abras, usamos s istemas que implican notación abreviada. Representamos el ni vel de ener gía, con el n úmero 1, el nivel de en ergía 2, el nivel 3, y as í sucesivamente. Entonces, por ejemplo, un electrón 2p es un el ectrón en e l subnivel p i nivel 2.

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Ejemplo

Electrones en subnivel

H: 1s1

Nivel principal de energía Subnivel de energía

2.7 Configuración cuántica de algunos átomos. La l ey per iódica de M oseley está en per fecta ar monía c on l a c lasificación cuántica actual. Ésta se basa en la periodicidad de las propiedades químicas de los elementos, como consecuencia y función de la distribución electrónica. Si cada elemento se identifica con los cuatro números cuánticos y se sabe el número de electrones que tiene cada átomo, de acuerdo al número atómico Z, bastará efectuar el acomodo en la clasificación cuántica de los elementos, agrupando todos los elementos conocidos como sigue: 1. O rdenar l os 1 05 elementos c onocidos y al gunos más q ue es tán e n estudio, en orden c reciente del nú mero at ómico c omenzando c on el hidrógeno que es el 1H y terminando con el Hannio 105Hn. 2. Agrupar todos los elementos en 8 períodos y en 32 familias. Período es el c onjunto d e el ementos par a c uyo el ectrón di ferencial ( el electrón q ue t ienen l os át omos e n s u última orbital) el v alor d e n+ 1 es idéntico. En la tabla los períodos que son ocho se leen horizontalmente. Familia es un conjunto de elementos para cuyo electrón diferencial el valor de “l” es el mismo y además tienen idéntico valor de “m”. Existen 32 familias y t odos l os elementos c olocados en l a misma familia t ienen pr opiedades similares. En la tabla se leen verticalmente y sus propiedades van variando de manera progresiva. 3. Obtener la di stribución el ectrónica de l os elementos al estado bas al mediante los valores de n+1 que son los de mayor energía. La atmósfera electrónica, o nu be de carga, se m ide por los electrones con determinada densidad electrónica ocupan niveles y subniveles específicos en los par ámetros c uánticos n, l, m, s. La notación de l as c onfiguraciones cuánticas está indicada en la tabla periódica cuántica. Consta de coeficientes numéricos, letras minúsculas, índices superiores (como exponentes) flechas. Estas configuraciones se pueden representar mediante diversos modelos.

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2.8 Configuración e Kernel Los g ases nobl es t ienen t odos s us or bitales l lenos de el ectrones. A es ta configuración electrónica per fecta, se l e l lama Kernel, cuando a s u vez, se encuentra contenida en la estructura de otro átomo. Para efectuarla, se toma en cuenta el gas noble que le antecede en la tabla, se es cribe en tre p aréntesis s u s ímbolo q ue r epresenta s u c onfiguración electrónica y luego se distribuyen los electrones restantes. Ejemplo: realizar la configuración electrónica con Kernel del fierro. El número atómico del f ierro es 26, por lo que el valor de " n" es 4. E l gas noble que le antecede es el Argón, a quien le corresponderán 18 electrones. Los ocho restantes se distribuyen de acuerdo al cuadro de Aufbau, quedando por lo tanto así: (Ar) 4s2, 3d6. Para que le ent iendas, compara y analiza la regla ya comentada. Por ejemplo la configuración del Litio (Z=3) sería: 1s2 2s1. El Helio (Z=2) es 1s2, por lo que el kernel del Li sería el siguiente: [He] 2s1Otros ejemplos:

Mg (Z=12): 1s2 2s2 2p6 3s2. Su kernel sería: [Ne] 3s2Y (Z=39): 1s

2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d1. Su kernel sería: [Kr] 4d1

5s2

http://www.quimica.es/enciclopedia/es/Litio/�

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EJERCICIOS DE LA UNIDAD II. I. - Define los siguientes conceptos. Número cuántico principal. Número cuántico azimutal o secundario. Número cuántico magnético. Número cuántico de espín. Orbital. Subniveles de energía. Principio de incertidumbre de Heisemberg. Principio de construcción progresiva. Principio de máxima multiplicidad (Regla de Hund). Principio de exclusión de Pauli. II. De los siguientes elementos determina su configuración electrónica, de kernel y vectorial 1.- 19 K a) Configuración electrónica. b) Configuración de Kernel. 2.- 5 B a) Configuración electrónica. b) Configuración de Kernel. 3.- 26 Fe a) Configuración electrónica. b) Configuración de Kernel. 4.- 31 Ga a) Configuración electrónica. b) Configuración de Kernel. 5.- 41 Nb a) Configuración electrónica. b) Configuración de Kernel.

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III. Resuelve las siguientes preguntas. 1. ¿Qué color del espectro visible t iene la f recuencia más al ta? ¿Qué color tiene la frecuencia más baja? 2.- Complete las siguientes declaraciones: a) Cuando n = 2, los valores del pueden ser ____ y ____. b) C uando l = 1 s e l e l lama s ubnivel ___ _, l os v alores de m l p ueden s er ____, ____ y ____. c) Cuando l = 2 se le llama subnivel ___ y este subnivel tiene ____ orbitales. d) C uando el s ubnivel s e l lama “ f”, h ay ____ v alores de ml y hay ___ _ orbitales. 3. Desarrolle l a c onfiguración el ectrónica de l os s iguientes el ementos, tomando en cuenta la Regla de Hund. a) N b) O c) P d) Si e) Br 4. D esarrolle l a c onfiguración el ectrónica c on K ernel d e l os s iguientes elementos, tomando en cuenta la Regla de Hund. a) Fe b) As c) Rb d) I e) Al 5. Desarrolle la configuración electrónica de los siguientes iones. a) O-2 b) Cr +3 c) Cl-1 d) H-1 e) Fe+2 6. Desarrolle l a c onfiguración el ectrónica de l os s iguientes el ementos, e indique si son diamagnéticos o paramagnéticos. a) Na b) Ca c) S d) Ne e) Li 7. Escriba la configuración electrónica de Au+1 e indique los cuatro números cuánticos del último electrón (+1/2). 8. Un át omo t iene l a c onfiguración en el es tado basal d e: 1s22s22p63s23p64s23d3. ¿ Cuántos or bítales es tán ocupados c on un o o más electrones? 9. Indique el número de protones, neutrones y electrones del ión aluminio. 10. Si el último electrón de la configuración del elemento tiene los siguientes números c uánticos, 3 , 1,+1,-1/2 r espectivamente n, l , m, s . C alcular el número atómico del elemento.

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UNIDAD III. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS, CLASIFICACIÓN PERIÓDICA, PROPIEDADES ATÓMICAS E IMPACTO ECONÓMICO Y AMBIENTAL. Objetivo: Interpretará el comportamiento de los elementos según su ubicación en la Clasificación Moderna e identificará los beneficios y riesgos asociados a los elementos químicos. 3.1. Antecedentes del surgimiento de la tabla periódica. Al conocer las propiedades de los átomos, y en especial su peso, se transformó en la t area fundamental de l a q uímica y, gracias a l as i deas de A vogadro y Cannizaro, d urante l a pr imera mitad d el s iglo X IX, g ran par te de l a l abor química c onsistió en determinar los p esos de l os át omos y l as f ormulas químicas de muchos compuestos. Al mismo tiempo, se iban descubriendo más y más elementos. En la década de 1860 se conocían más de 60 elementos, y saber las propiedades de todos ellos, era imposible para cualquier químico, pero muy importante para poder realizar su trabajo. Ya en 1829, un q uímico alemán, D öbereiner, s e p ercató q ue al gunos elementos debí an g uardar c ierto or den. A sí, el c alcio, es troncio y bar io formaban c ompuestos de c omposición s imilar y c on pr opiedades similares, de forma q ue l as pr opiedades del es troncio er an i ntermedias e ntre l as del calcio y las del bar io. O tro tanto ocurría con el azufre, selenio y teluro ( las propiedades del selenio eran i ntermedias entre l as del azufre y el t eluro) y con el c loro, bromo y i odo ( en es te c aso, el el emento i ntermedio er a e l bromo). Es lo que se conoce como tríadas de Döbereiner. Las i deas de D öbereiner c ayeron en el ol vido, aunq ue m uchos q uímicos intentaron buscar un a r elación entre l as pr opiedades de l os el ementos. E n 1864, un químico inglés, Newlands, descubrió que al ordenar los elementos según s u pes o at ómico, el oc tavo el emento t enía pr opiedades s imilares al primero, el noveno al segundo y as í sucesivamente, cada ocho elementos, las propiedades se repetían, lo denominó ley de las octavas, recordando los periodos musicales. Pero las octavas de Newlands no se cumplían siempre, tras las primeras octavas la ley dejaba de cumplirse. En 1870, el químico alemán Meyer estudió los elementos de forma gráfica, representando el volumen de cada átomo en función de su peso, obteniendo una g ráfica en o ndas c ada v ez m ayores, l os el ementos en posiciones similares de l a onda, tenían propiedades similares, pero las ondas cada vez eran mayores e integraban a más elementos. Fue el descubrimiento de la ley periódica, pero llegó un año demasiado tarde. En 1 869, Mendeleyev publicó s u t abla periódica. H abía ordenado l os elementos siguiendo su peso atómico, como lo hizo Newlands antes que él, pero t uvo t res i deas geniales: n o mantuvo f ijo el p eriodo de r epetición d e propiedades, sino que lo amplió conforme aumentaba el peso atómico (igual

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que s e a mpliaba l a a nchura de l a g ráfica de Meyer). I nvirtió el orden de algunos el ementos p ara q ue c uadraran s us pr opiedades c on l as de l os elementos a dyacentes, y dej ó hu ecos, i ndicando q ue c orrespondían a elementos aún no descubiertos. En tres de los huecos, predijo las propiedades de los elementos que habrían de descubrirse (denominándolos ekaboro, ekaaluminio y ekasilicio), cuando años más t arde se descubrieron el escandio, el galio y el germanio, cuyas propiedades s e c orrespondían c on las pr edichas p or Mendeleyev, y s e descubrió un nuevo gr upo d e el ementos ( los g ases n obles) q ue enc ontró acomodo en l a t abla de Mendeleyev, s e puso de manifiesto n o s ólo l a veracidad de l a l ey periódica, s ino l a i mportancia y ut ilidad de l a t abla periódica. Dimitri I vanovich M endeleiev y J ulius Lot har M eyer pr opusieron una nueva tabla c ompuesta p or 7 filas ( períodos) y oc ho c olumnas. A l c onjunto d e elementos l o llamó familia a g rupo por t ener pr opiedades s emejantes. A diferencia d e l a t abla de N ewlands es ta no c onsta de per íodos c on u n número fijo de el ementos. M endeleiev pr evé l as pr opiedades q uímicas y físicas d e t res el ementos q ue años d espués s erían d escubiertos c omo Escandio, Galio y Germanio. Los trabajos de Moseley relativos al estudio de los espectros de r ayos X de los el ementos per mitieron c onocer el r espectivo nú mero a tómico. S e comprobó que al ordenar los elementos según el orden creciente del número atómico las parejas que resultaban alteradas en la ordenación de Mendeleiev se hallaban correctamente dispuestas. De este modo se establece el sistema periódico actual. La tabla periódica actual es similar a la de Mendeliev pero tiene más elementos, los que se han descubierto desde 1869. Hoy día consta de siete hileras horizontales llamadas periodos y un número de columnas verticales llamadas grupos (familias) Los grupos están numerados con numerales romanos. Todos los elementos en cada grupo tienen el mismo número de electrones en su capa más externas, así como todos se comportan de modo similar. Por ejemplo, los elementos del grupo IA reaccionan violentamente cuando entran en contacto con el agua. Y todos los elementos del grupo IA tienen un electrón en su capa más externa. Algunos d e l os gr upos en l a t abla p eriódica están des ignados c on un núm ero romano no seguido por una A, otros con un número romano seguido por una B. Los gr upos a s e de nominan l os elementos r epresentativos. Los grupos B s e llaman metales de transición.

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Fig. 3.1 Clasificación de los elementos en la tabla periódica.

Otra clasificación que resulta importante conocer y es de g ran ut ilidad en la nomenclatura es l a que nos brinda i nformación s obre l a c apacidad de combinación de l os el ementos o s ea s u valencia así co mo su estado o número de oxidación. Existe una c lasificación que ubica a los elementos representativos en ocho grupos i dentificados como A y a l os de t ransición en B. L os elementos representativos son conocidos así porque el número de grupos representa la cantidad de electrones en s u capa de valencia o sea el último nivel, y l a cantidad de el ectrones en es a c apa nos i ndica l a v alencia m áxima q ue el elemento puede presentar. La valencia de un elemento se refiere a la capacidad de combinación que presenta; en el c aso de l os no metales se r elaciona c on el n úmero d e átomos de hidrógeno c on q ue s e pue de enlazar y en l os metales con cuántos átomos de cloro se une. Ejemplos: El Calcio se puede unir a dos átomos de Cloro por lo que su valencia es dos. CaCl2 El O xígeno f orma ag ua uni éndose a d os hidrógenos, s u v alencia t ambién será dos. H2O El N itrógeno s e une a t res H idrógenos en l a formación de A moníaco, su valencia es tres. NH3 Las pr opiedades f ísicas y q uímicas de l os el ementos dep enden, fundamentalmente, de su configuración electrónica. En u n á tomo, l a c orteza el ectrónica, q ue contiene t antos electrones c omo protones t iene el núc leo, de forma que el átomo sea eléctricamente neutro,

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no está distribuida de manera uniforme, sino que los electrones se disponen en capas concéntricas alrededor del núcleo. La atracción del núcleo atómico sobre un electrón existente en las capas exteriores.

Fig. 3.2 Atracción del núcleo atómico

3.2 Clasificación periódica De ac uerdo c on el t ipo de s ubnivel q ue ha s ido l lenado, l os elementos s e pueden dividir en c ategorías: l os elementos representativos, lo s gases nobles, lo s elementos de transición (o m etales d e t ransición), l os lantánidos y los actínidos. Los elementos representativos son los elementos de los grupos 1A hasta 7A, todos los cuales tienen incompletos los subniveles s ó p del máximo número cuántico principal. Con excepción del He, los gases nobles que conforman el grupo 8A tienen el mismo subnivel p completo. Los m etales de t ransición s on l os elementos 1B y del 3B has ta el 8B , l os cuales tienen c apas d i ncompletas, o fácilmente forman c ationes c on subniveles d incompletos. Los elementos del grupo 2B son Zn, Cd, y Hg, que no son representativos ni metales de transición. A l os l antánidos y ac tínidos s e l es l lama t ambién el ementos de t ransición interna del bloque f porque tienen subniveles f incompletos. Si an alizamos l as c onfiguraciones del g rupo 1A v emos q ue s on s imilares: todos tienen el último electrón en un orbital s. El grupo 2A tiene configuración ns2 para los dos electrones más externos. La similitud de las configuraciones electrónicas externas es lo que hace parecidos a los elementos de un grupo en su comportamiento químico. Esta observación es válida para el resto de los elementos representativos. Si analizamos l a c onfiguración del g rupo 7A, o el ementos h alógenos, t odos ellos pos een c onfiguración ns2np5, h aciendo q ue t engan pr opiedades m uy similares como grupo.

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Propiedades características de los metales y no metales

Metales No metales Tienen un l ustre br illante; di versos colores, p ero c asi t odos s on plateados.

No tienen lustre; diversos colores

Los sólidos son maleables y dúctiles Los s ólidos s uelen s er q uebradizos; algunos duros y otros blandos.

Buenos c onductores de l a electricidad.

Malos c onductores de c alor y l a electricidad.

Casi t odos l os óx idos m etálicos s on sólidos iónicos.

La mayor par te d e l os óx idos n o metálicos son sustancias que forman soluciones ácidas.

Tienen a formar cationes en solución acuosa.

Tienden a f ormar aniones u oxianiones en solución acuosa.

3.3 Breve descripción de las propiedades y aplicaciones de algunos elementos de la Tabla Periódica. Gases nobles o gases raros Los g ases n obles, l lamados también r aros o i nertes, en tran, en es casa proporción, en la composición del aire atmosférico. Pertenecen a es te grupo el hel io, n eón, argón, c riptón, x enón y r adón, q ue s e c aracterizan por s u inactividad química, puesto que tienen completos sus electrones en la última capa. No t ienen tendencia por tanto, ni a p erder ni a g anar el ectrones. De aquí que su valencia sea cero o que reciban el nombre de inertes, aunque a tal a firmación s e t iene hoy una r eserva que y a s e han p odido s intetizar compuestos de neón, xenón o kriptón con el oxígeno, el flúor y el agua. El hel io s e enc uentra e n el ai re; el neón y el k riptón s e u tilizan en la iluminación por sus brillantes colores que emiten al ser excitados, el radón es radioactivo. Grupo I, metales alcalinos Los m etales al calinos s on aq uellos q ue s e enc uentran en el pr imer g rupo dentro de la tabla periódica. Con excepción del hidrógeno, son todos blancos, brillantes, muy activos, y se les encuentra combinados en forma de compuestos. Se les debe guardar en la atmósfera inerte o bajo aceite. Los c ompuestos de l os m etales al calinos s on i somorfos, l o m ismo q ue l os compuestos salinos del amonio. Este radical presenta grandes analogías con los metales de este grupo. Estos metales, c uyos átomos p oseen u n s olo el ectrón en l a c apa ex terna, son monovalentes. Dada su estructura atómica, ceden fácilmente el electrón de valencia y pasan al estado iónico. Esto explica el carácter electropositivo que poseen, así como otras propiedades.

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Los de mayor importancia son el sodio y el potasio, sus sales son empleadas industrialmente en gran escala. Grupo II, metales alcalinotérreos Se conocen con el nombre de metales alcalinotérreos los seis elementos que forman el grupo IIA del sistema periódico: Berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y r adio. S on bivalentes y s e l es l lama alcalinotérreos a causa de l aspecto térreo de sus óxidos. El radio es un elemento radiactivo. Estos elementos son muy activos aunque no tanto como los del grupo I. Son buenos conductores del calor y la electricidad, son blancos y brillantes. Como el no mbre i ndica, m anifiestan pr opiedades i ntermedias entre l os metales alcalinos y los térreos; el magnesio y, sobre todo, el berilio son los que más se asemejan a estos. No existen en estado natural, por ser demasiado activos y, generalmente, se presentan formando s ilicatos, carbonatos, c loruros y sulfatos, generalmente insolubles. Estos metales s on difíciles de o btener, p or l o q ue s u e mpleo es m uy restringido. Grupo III, familia del boro El boro es menos metálico que los demás. El aluminio es anfótero. El galio, el indio y el talio son raros y existen en cantidades mínimas. El boro tiene una amplia química de estudio. Grupo IV Familia del carbono El es tudio de l os c ompuestos d el c arbono c orresponde a l a Q uímica Orgánica. El carbono elemental existe como diamante y grafito. El s ilicio c omienza a s er es tudiado a mpliamente p or s u par ecido c on el carbono. Los elementos restantes tienen más propiedades metálicas. Grupo V familia del nitrógeno Se considera a este grupo como el más heterogéneo de la tabla periódica. El nitrógeno está pr esente en c ompuestos tales c omo l as pr oteínas, l os fertilizantes, los explosivos y es constituyente del aire. Como se puede ver, se t rata de un elemento tanto benéfico como per judicial. E l fósforo t iene ya una química especial de estudio, sus compuestos son generalmente tóxicos. El arsénico es un metaloide venenoso. El antimonio tiene gran parecido con el aluminio, sus aplicaciones son más de un metal. Grupo VI Colágenos Los cinco pr imeros el ementos son no -metálicos, el último, p olonio, e s radioactivo. El oxígeno es un gas incoloro constituyente del aire. El agua y la

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tierra. E l azufre es un sólido amarillo y sus compuestos por lo general son tóxicos o corrosivos. La química del teluro y selenio es compleja. Grupo VII halógenos El f lúor, el c loro, el br omo, el y odo y el as tato, l lamados m etaloides halógenos, constituyen el grupo de los no metales monovalentes. Todos ellos son c oloreados en e stado g aseoso y , d esde el p unto de v ista q uímico, presentan propiedades electronegativas muy acusadas, de donde se der iva la gran afinidad que tienen con el hidrógeno y los metales. Los formadores de s al s e enc uentran c ombinados e n l a nat uraleza por s u gran ac tividad. Las s ales de es tos el ementos c on l os de l os g rupos I y I I están en los mares. Las propiedades de los halógenos son muy semejantes. La mayoría s e s us c ompuestos d erivados son t óxicos, i rritantes, ac tivos y tienen gran aplicación tanto en la industria como en el laboratorio. El astatinio o ástato difiere un poco del resto del grupo. Elementos de transición Esta es una familia formada por los grupos IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, IB y IIB, entre l os q ue s e enc uentran l os el ementos c obre, fierro, z inc, oro, pl ata, níquel y platino. Las características de los metales de transición son muy variadas, algunos se encuentran en la naturaleza en forma de compuestos; otros se encuentran libres. Estos el ementos n o son t an activos c omo l os r epresentativos, t odos s on metales y por t anto s on d úctiles, maleables, t enaces, c on al tos puntos d e fusión y ebul lición, conductores del calor y la electricidad. Poseen orbitales semilleros, y debido a esto es su variabilidad en el estado de oxidación. Debido al estado de oxidación, los compuestos son coloridos. 3.4 Propiedades Periódicas de la tabla periódica La energía de ionización es la energía mínima necesaria para que un átomo gaseoso en s u estado fundamental o d e menor energía, separe un electrón de este átomo gaseoso y así obtenga un ión positivo gaseoso en su estado fundamental:

Las e nergías de i onización d e l os el ementos de un p eriodo aumentan al incrementarse el número atómico. C abe des tacar q ue l as e nergías de ionización de los gases nobles (grupo 8A) son mayores que todas las demás, debido a q ue la mayoría de l os gases nobles son químicamente inertes en virtud de s us elevadas energías de i onización. Los elementos del grupo 1A (los metales alcalinos) tienen las menores energías de ionización.

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Cada uno de estos elementos tiene un electrón en la última capa, el cual es energéticamente fácil de q uitar (a partir de ahí, es posible di ferenciar ent re energía de i onización 1, 2 y 3), por ello los elementos de este grupo forman cationes (iones positivos). Dentro de un grupo, la energía o potencial de ionización disminuye a medida que aumenta el número at ómico, es dec ir de ar riba abajo. E sto se debe a que en el ementos m ás g randes l a fuerza c on l a q ue están unidos l os electrones es mayor que en átomos más pequeños, y para sacar un electrón se requiere más energía. Las energías de ionización de los elementos de un periodo aumentan al i ncrementarse el número atómico. Cabe destacar que las energías de i onización de los gases nobles (grupo 8A) son mayores que todas l as demás, d ebido a q ue l a m ayoría de l os g ases nobles s on químicamente inertes en v irtud de s us elevadas energías de i onización. Los elementos del grupo 1A (los metales alcalinos) tienen las menores energías de ionización. Cada uno de estos elementos tiene un electrón en la última capa, el cual es energéticamente fácil de q uitar (a partir de ahí, es posible di ferenciar ent re energía de i onización 1, 2 y 3), por ello los elementos de este grupo forman cationes (iones positivos). Dentro de un grupo, la energía o potencial de ionización disminuye a medida que aumenta el número at ómico, es dec ir de ar riba abajo. E sto se debe a que en el ementos m ás g randes l a fuerza c on l a q ue están unidos l os electrones es mayor que en átomos más pequeños, y para sacar un electrón se requiere más energía.

Energía de ionización

Fig.3.3 Aumento de potencial ionización según periodo y grupo La afinidad electrónica es el cambio de energía cuando un átomo acepta un electrón en el estado gaseoso:

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Entre más negativa sea la afinidad electrónica, mayor será la tendencia del átomo a aceptar (ganar) un electrón. Los elementos que presentan energías más negativas son los halógenos (7A), debido a q ue la electronegatividad o capacidad de estos elementos es muy alta. La a finidad electrónica no presenta u n a umento o disminución de forma ordenada d entro d e l a t abla per iódica, m ás bi en de forma des ordenada, a pesar de q ue pr esenta al gunos patrones como p or ej emplo q ue l os no metales poseen afinidades electrónicas más bajas que los metales. En forma global es pos ible encontrar un estándar de v ariación par ecido al de l a energía de ionización. Electronegatividad: Tendencia que presenta un átomo a atraer electrones de otro cuando forma parte de un compuesto. Si un átomo atrae fuertemente electrones, se dice que es al tamente electronegativo, por el contrario, s i no atrae f uertemente el ectrones el átomo es poco el ectronegativo. C abe destacar, q ue c uando un átomo pierde fácilmente s us el ectrones, es te e s denominado “ electropositivo”. La el ectronegatividad pos ee r elevancia en el momento de determinar la polaridad de una molécula o enlace, así como el agua ( H2O) es pol ar, en b ase a l a diferencia de el ectronegatividad entre Hidrógeno y Oxígeno. En la tabla per iódica la electronegatividad aumenta de i zquierda a der echa en un período y de abajo hacia arriba en un grupo.

Fig.3.4 Aumento de la afinidad electrónica según periodo y grupo Radio atómico: es la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes. N umerosas pr opiedades físicas, i ncluyendo l a densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición, están relacionadas con el tamaño de los át omos. Los r adios at ómicos es tán d eterminados en g ran m edida p or cuán fuertemente at rae el núc leo a l os el ectrones. A m ayor c arga nuc lear efectiva los electrones estarán más fuertemente enlazados al núcleo y menor será el r adio at ómico. D entro d e un periodo, el r adio a tómico disminuye constantemente debido a q ue aumenta la carga nuc lear e fectiva. A medida que se desciende en un grupo el radio aumenta según aumenta el número atómico.

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Fig. 3.5. Aumento de radio atómico según periodo y grupo Radio iónico: es el radio de un catión o de un anión. El radio iónico afecta las propiedades físicas y químicas de un c ompuesto iónico. Por ejemplo, la estructura t ridimensional d e un compuesto depende d el t amaño relativo de sus cationes y aniones. Cuando un átomo neutro se convierte en un ión, se espera un c ambio en el t amaño. S i el átomo forma u n a nión, s u t amaño aumenta d ado q ue l a c arga nuc lear p ermanece c onstate pero l a r epulsión resultante ent re el ectrones ex tiende el do minio de l a nu be el ectrónica. P or otro lado, un catión es más pequeño que su átomo neutro, dado que quitar uno o más electrones reduce la repulsión e lectrón–electrón y se contrae la nube el ectrónica. El r adio i ónico au menta de ac uerdo al r adio atómico, es decir a lo largo de un periodo aumenta conforme el número atómico, y en un grupo aumenta hacia abajo. Radio iónico

Fig. 3.6 comportamiento del radio atómico

Fig. 3.6.1 Aumento de radio iónico según periodo y grupo

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Fig. 3.7 Variación de las propiedades de periódicas 3.5 Localización de los elementos Las coordenadas de un elemento en l a tabla se obtienen por su distribución electrónica: el último nivel de en ergía localiza el periodo y los electrones de valencia el grupo. Elementos r epresentativos. E stán r epartidos en ocho g rupos y s e caracterizan por que s u di stribución el ectrónica t ermina en s-p o p-s. E l número del grupo resulta de sumar los electrones que hay en los subniveles s ó s y p del último nivel EJEMPLO: localice en la tabla periódica el elemento con Z= 35 La distribución electrónica correspondiente es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 El úl timo ni vel de en ergía es el 4, por l o t anto el el emento d ebe es tar localizado en el cuarto periodo. El grupo se determina por la suma 2+5=7, correspondiente al número de electrones ubicados en el último nivel, lo cual indica que el elemento se encuentra en el grupo VII A. Algunos grupos representativos reciben los siguientes nombres:

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Grupo IA: Alcalinos

Grupo IIA Alcalinotérreos

Grupo VIIA: Halógenos

Grupo VIIIA: Gases nobles

Si l a s uma es 3, 4, 5, 6 ó 7 el g rupo es I IIB, I VB, V B, V IB,VIIB respectivamente. Si la suma es 8, 9 ó 10 el grupo es VIIIB primera, segunda o tercera columna respectivamente. Y si la suma es 11 ó 12 el grupo es IB y IIB respectivamente. EJEMPLO: localice en la tabla periódica el elemento con Z= 47

La di stribución el ectrónica correspondiente es:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 4p6 5s2 4d4

la cual en forma ascendente es ;

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d4 5s2

El úl timo ni vel de en ergía es el 5, por l o t anto el el emento d ebe es tar localizado en el quinto periodo. El grupo se determina por la suma 9+2=11, lo cual indica que el elemento se encuentra en el grupo I B.

Elementos de tierras raras:

Están r epartidos e n 14 g rupos y s u configuración el ectrónica ordenada t ermina en f-s. Es de no tar q ue l a s erie l antánida pertenece al per iodo 6 y l a ac tínida al periodo 7 de la tabla periódica.

3.6 Elementos de importancia económica y ambiental de algunos elementos. Combustibles y carburantes. Los c ombustibles s on c uerpos c apaces de combinarse c on él ox igeno c on desprendimiento de calor. Los productos de la combustión son generalmente gaseosos. Por razones prácticas, la combustión no debe ser ni muy rápida ni demasiado lenta. Puede hacerse u na distinción entre l os c ombustibles q uemados en l os hogares y l os c arburantes utilizados en los m otores de ex plosión; a unque todos los carburantes pueden ser empleados como combustibles, no ocurre lo mismo a la viceversa. Clasificación y utilización de los combustibles: Los distintos c ombustibles y carburantes utilizados pu eden s er: s ólidos, líquidos o gaseosos.

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Los c arbones nat urales pr oceden de l a t ransformación l enta, fuera del contacto c on el ai re, de g randes m asas vegetales ac umuladas e n c iertas regiones d urante l as épocas g eológicas. El pr oceso d e c arbonización, e n unos casos, muy ant iguo, además de que influyen ot ros factores, como las condiciones del medio ambiente y el tipo de vegetal original. Se han emitido numerosas teorías para explicar la formación de l as minas de carbón, pero ninguna es totalmente satisfactoria. Elementos tóxicos. El plomo se encuentra en la naturaleza en forma de carbonato, y de sulfato, casi t odo el pl omo d el c omercio s e obtiene del s ulfuro q ue c onstituye el mineral galena. El pl omo r eacciona muy l entamente c on el ác ido c lorhídrico, y el ác ido sulfúrico y frío apenas lo ataca, por formarse sulfato insoluble que lo preserva de su acción ulterior. El plomo puesto en contacto con agua dura se recubre de una capa protectora de sales insolubles, como sulfato, bicarbonato básico o f osfato. E l ag ua destilada y l a de l luvia, q ue no c ontienen s ubstancias disueltas c apaces de f ormar es ta p elícula, at acan el metal a c ausa d el oxigeno que llevan disuelto, y forman hidróxido de plomo, algo soluble. Los compuestos solubles de plomo son venenosos, y por lo tanto, los tubos de plomo para conducir agua potable solo pueden utilizarse con seguridad si el agua es algo dura. El plomo se usa para fabricar tubos de cañerías y revestir cables eléctricos. También se usan las instalaciones de ácido sulfúrico y en ac umuladores de plomo. Los vapores de plomo son los causantes de una g ran enfermedad l lamada saturnismo, c aracterizada ent re o tros síntomas por anor exia, constipación pertinaz, anemia parálisis muscular, insomnio, angustia etc. Suele afectar a mineros q ue extraen plomo, a t ipógrafos a pi ntores y a q uienes f abrican acumuladores. Existen diferencias importantes en la epidemiología, manifestaciones clínicas de la intoxicación por el plomo en los niños y adultos. En los niños, la enfermedad debe ser debida a la malacia o pica (perversión del ap etito q ue l leva al ni ño a ingerir c osas i mpropias para l a n utrición) o mordisque de objetos decorados con pinturas que contienen plomo. El arsénico es r elativamente i nerte a l as t emperaturas or dinarias, per o calentado al ai re ar de c omo l lama azulada produciendo nub es bl ancas d el trióxido sólido. Aunque todos los compuestos solubles de arsénico son venenosos, algunos tienen uso en medicina. Los que lo consumen adquieren cierta tolerancia al mismo y pued en t omar m ayores c antidades de l as q ue otras p ersonas no habituadas. Los compuestos de a rsénico se ut ilizan en agricultura en pul verizaciones y baños para ganado, con el fin de destruir insectos y parásitos.

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Los s íntomas de la ingestión de arsénico son: Sabor metálico, dolor urente en esófago y estomago, dolores cólicos, vómitos y diarrea profusa con heces De agua de arroz. Seguida de deposiciones sanguilonentas, depresión, sed intensa, s equedad d e boc a y garganta, s ensación d e c onstricción e n l a garganta, ol or al iaceo del al iento y l as hec es, v értigo, c efalea c entral, calambres m usculares, pi el fría, v iscosa; P ulso p equeño, r ápido y débi l; extremidades frías, c ianosis, respiración anhel ante, es tupor, c olapso circulatorio, c onvulsiones, c oma er upciones c utáneas, ol iguria, albuminuria, hematuria. Elementos contaminantes. En la naturaleza existen algunos elementos que debido a su estructura o en combinación con otros en forma de compuestos, son perjudiciales al hombre, ya q ue s on ag entes contaminadores del m edio ambiente; en es pecial del aire, ag ua y s uelo, o bi en, porque ocasionan d años i rreversibles al s er humano, como la muerte. Algunos de estos elementos son: Antimonio (Sb) y textiles.- Se e mplea e n al eaciones, metal de i mprenta, baterías, cerámica. El principal daño que provoca es el envenenamiento por ingestión o inhalación de vapores, principalmente por un gas llamado estibina SbH3. Arsénico (As) medicamentos y vidrio. Se e mplea en v enenos par a hormigas, i nsecticidas, pi nturas, E s uno de l os el ementos más v enenosos que hay, así como todos los compuestos. Azufre (S) Principalmente son óx idos S O2 y S O3 contaminan el ai re y con agua producen la lluvia ácida. Sustancias tales como derivados clorados de azufre, sulfatos y ácidos son corrosivos. El gas H2S es sumamente tóxico y contamina el aire. El azufre es empleado en algunos medicamentos para la piel. Bromo (Br) Sus v apores c ontaminan el ai re, ade más s us c ompuestos derivados son lacrimógenos y venenosos. Cadmio (Cd) Metal tóxico que se or igina en l a refinación del z inc; también proviene de operaciones de electrodeposición y por tanto contamina el aire y el agua. Contenido en algunos fertilizantes contamina el suelo. Cloro (Cl) Sus valores contaminan el aire y son corrosivos. Se le emplea en forma de cloratos para blanquear la ropa, para lavados bucales y fabricación de cerillos. Los c loratos son solubles en ag ua y la contaminan, además de formar mezclas explosivas con compuestos orgánicos. Los v alores d e c ompuestos or gánicos c lorados c omo i nsecticidas, anestésicos y s olventes d añan el hí gado y el c erebro. A lgunos medicamentos que contienen c