201102 Modulo QGeneral Agosto 2010

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UNIVERSIDADNACIONALABIERTAYADISTANCIA UNADESCUELADECIENCIASBSICAS,TECNOLOGIASEINGENIERIASCONTENIDODIDCTICODELCURSO:201102QUIMICAGENERAL

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

ESCUELA DE CIENCIAS BSICAS, TECNOLOGA E INGENIERA

PROGRAMA CIENCIAS BSICAS

201102 QUMICA GENERAL

DANILO LUSBIN ARIZA RUA Autor

STELLA DIAZ NEIRA Directora Nacional

MILENA RAQUEL ALCOCER

Acreditadora

BOGOTA Julio de 2010

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El presente mdulo fue diseado en el ao 2006 por el Msc. Danilo Lusbn Ariza, docente de la UNAD, y ubicado en el CEAD de Barranquilla, actualmente se desempea como tutor de la UNAD.

Esta es la primera actualizacin del mdulo realizada por la Qumica Stella Daz Neira quien ha sido tutora en el CEAD JAG, de la ciudad de Bogot desde el ao 2001 y se desempea actualmente como directora del curso a nivel nacional.

Para la presente actualizacin se recibieron observaciones, sugerencias y aportes del Qumico Manuel Lozano Regueiros, el Licenciado en Qumica Johny Roberto Rodrguez y la Ingeniera Qumica Alba Janeth Pinzn.

Este mismo ao La Ingeniera. Milena Raquel Alcocer, tutora del CEAD Ibagu, apoy el proceso de revisin de estilo del mdulo y dio aportes disciplinares, didcticos y pedaggicos en el proceso de acreditacin de material didctico desarrollado en el mes de Julio de 2009.

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INTRODUCCIN

Este mdulo de qumica general pretende presentar de una manera concreta los conceptos que se consideran necesarios para el desarrollo del respectivo curso acadmico en los programas de la Escuela de Ciencias Bsicas, Tecnologas e Ingenieras y de la Escuela de Ciencias Agrarias.

El curso acadmico de Qumica General tiene 3 (tres) crditos acadmicos y se inscribe en el campo de formacin disciplinar. Es bsico para la formacin en diversos campos profesionales ya que debe proporcionar los fundamentos conceptuales y prcticos de la disciplina, para la comprensin de sus leyes y sus mtodos, a partir de su aplicacin en diferentes procesos tecnolgicos y en la descripcin de fenmenos naturales. Asimismo el curso pretende propiciar en los estudiantes el desarrollo de habilidades de pensamiento comunicativas y destrezas instrumentales a travs del anlisis y solucin de problemas prcticos en diferentes campos de aplicacin de la qumica para resolver problemas relacionados con el ejercicio de la profesin, su campo de inters y de la vida diaria. Aunque el objetivo de la qumica es extremadamente amplio, con el mdulo buscamos aprender y comprender los principios generales que rigen el comportamiento de la materia; entender la relacin que existe entre su estructura y propiedades y comprender los cambios energticos que acompaan las transformaciones de los compuestos qumicos.

El entendimiento de las anteriores relaciones y transformaciones son importantes para poder contestar preguntas del da a da como por ejemplo: Por qu si se deja una manzana cortada se oscurece con el tiempo? Pero si le agregamos unas gotas de limn ese fenmeno no ocurre? Por qu el cloro blanquea? Por qu las hojas cambian de color en el otoo? Por qu debemos comer alimentos para mantenernos vivos? Cules son los mecanismos que los medicamentos lleguen a una clula enferma? Porqu pueden aparecer reacciones indeseables cuando el consumo de un producto (en alimentos, agrarias, farmacia) se hace con otras

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sustancias? Hay muchos fenmenos sorprendentes, pero la explicacin de los mismos, es una fascinacin todava mayor. Por eso se hace necesario entender la relacin que existe entre la estructura de la materia y sus propiedades.

El mdulo esta distribuido en tres unidades:

La primera hace referencia a la estructura de la materia a partir de los tomos y compuestos y a las propiedades de la misma, haciendo nfasis en el estado gaseoso.

En la segunda unidad se estudian las diferentes dispersiones, especialmente las soluciones verdaderas. Se muestran adems las propiedades de los coloides y de las suspensiones, tambin se estudia el equilibrio qumico y el pH.

La tercera unidad abarca los cambios qumicos y los clculos estequiomtricos de las cantidades de reactantes y productos involucrados en una reaccin qumica.

Se espera que con el estudio del curso acadmico de qumica general se proporcionen las bases para el desarrollo de futuros aprendizajes.

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INDICE DE CONTENIDO

Pg. INTRODUCCION 3 UNIDAD UNO. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 11 Captulo Uno. ELEMENTOS Y COMPUESTOS QUMICOS

Leccin 1. Estructura de los tomos 1.1 Partculas subatmicas Leccin 2. Configuracin Electrnica

2.1 Modelo actual del tomo 2.2 Distribucin de los electrones en los estados de Energa

Leccin 3. Tabla Peridica 3.1 Elementos representativos 3.2. Elementos de transicin 3.3 Elementos de Tierras Raras

Leccin 4. Propiedades peridicas de los elementos 4.1 Tamao atmico 4.2 Potencial de Ionizacin 4.3 Afinidad Electrnica 4.4 Electronegatividad

Leccin 5. Compuestos Qumicos. Estructura 5.1 Estructuras de Lewis Leccin 6. Enlaces Qumicos. 6.1 Enlaces Intramoleculares 6.2 Fuerzas intermoleculares 6.3 Propiedades de los enlaces Ejercicios capitulo Uno

13

13

16

26

32

35 35 38

44

Captulo Dos. ESTADOS DE LA MATERIA

Leccin 7. Teora Cintico Molecular Leccin 8. .Estado Slido

8.1 Caractersticas de los slidos 8.2. Slidos amorfos y cristalinos

Leccin 9. Estado Liquido 9.1 Propiedades de los lquidos 9.2. Evaporacin y Presin de vapor. 9.3. Aplicaciones en la Industria

47

47 48

51

6


Leccin10. Estado Gaseoso 10.1 Caractersticas de los gases Leccin 11. Gases ideales

11.1 Teora Cintica Molecular de los gases 11.2 Leyes de los gases ideales 11.3 Gases Reales

Leccin 12. Cambios de estado 12.1 Calor de transicin en los cambios de estado 12.2 Curva de calentamiento

Ejercicios capitulo Dos

59

61

71

77 Capitulo Tres. CANTIDAD DE SUSTANCIA Leccin 13. Masa atmica y masa molecular

13.1 Repaso conceptos 13.2 Unidades de masa atmica 13.3 Masa atmica 13.4 Masa molecular

Leccin 14. Mol y Nmero de Avogadro Leccin 15. Masa Molar 15.1 Relaciones entre los conceptos del captulo 3 Ejercicios capitulo Tres AUTOEVALUACION UNIDAD UNO

79

79

83 84

87 88

Anexo 1 Mtodo Cientfico Anexo 2 Sistema Internacional de Medidas Anexo 3 Anlisis dimensional

95 98 102

UNIDAD DOS. MEZCLAS 104 Captulo Cuatro. SOLUCIONES VERDADERAS Leccin 16. Componentes de una solucin Leccin 17. Clasificacin de las Soluciones

17.1 Segn su estado fsico 17.2 Segn su concentracin

Leccin 18. Unidades de Concentracin. Unidades Fsicas 18.1 Porcentaje (%) de soluto en la solucin 18.2. Partes por milln (ppm)

Leccin 19. Unidades de Concentracin. Unidades Qumicas 19.1 Molaridad 19.2 Normalidad 19.3 Molalidad 19.4 Fraccin Molar

Leccin 20. Propiedades Coligativas de las Soluciones

106

106 107

109

112

118

7


20.1 Presin de Vapor 20.2 Aumento ebulloscpico 20.3 Descenso crioscpico 20.4 Presin Osmtica

Ejercicios capitulo Cuatro

123

Capitulo Cinco. SUSPENCIONES Y COLOIDES Leccin 21. Suspensiones.

21.1 Caractersticas Generales de las suspensiones 21.3. Suspensiones de Importancia Biolgica

Leccin 22. Coloides 22.1 Clasificacin de los coloides 22.2. Propiedades de los coloides.

Leccin 23. Comparacin de las propiedades de las soluciones, coloides y Suspensiones. 23.1 Tabla comparativa EJERCICIOS CAPITULO CINCO

124

125

126

130

132

Capitulo Seis. EQUILIBRIO QUIMICO Leccin 24. Generalidades del Equilibrio Qumico

24.1. Equilibrio homogneo 24.2. Equilibrio Heterogeneo

Leccin 25. Constante de Equilibrio 25.1 Expresin de la constante de Equilibrio. 25.2. Aplicaciones de la constante de equilibrio

Leccin 26. Principio de LChatelier 26.1. Efectos en el cambio de concentracin 26.1. Efectos del cambio de temperatura 26.2. Efectos del cambio de Presin 26.3. Efectos en el cambio de catalizador

Leccin 27. Equilibrio Inico 27.1 Electrolitos 27.2 Definicin de Brnsted-lowry de cido y base 27.3 Equilibrio cido base Leccin 28. Porcentaje de disociacin Leccin 29. Producto inico del agua Leccin 30. Potencial de Hidrgeno (pH) 30.1. Clculos de pH para cidos y bases fuertes 30.2. Clculos de pH para cidos y bases dbiles Ejercicios capitulo Seis AUTOEVALUACION UNIDAD DOS

132

132

133

136

138

141 143 143

147 148

UNIDAD TRES. CAMBIOS QUIMICOS 151

8


Captulo Siete. REACCIONES QUMICAS Leccin 31 Ecuacin qumica Leccin 32 Clasificacin de las reacciones 32.1 la frmula molecular de algunos compuestos orgnicos 32.2 Algunas reacciones qumicas de inters Leccin 33 Leyes Ponderales Leccin 34 Balanceo de ecuaciones 34.1 Mtodo del ensayo y error 34.2 Mtodo de oxido reduccin Ejercicios capitulo Siete

153

153 154

156 159

160

Captulo ocho. OXIDACION REDUCCION Leccin 35 Reacciones de oxido reduccin Leccin 36 Nmero de oxidacin 36.1 Reglas para asignar un nmero de oxidacin Leccin 37 Oxidacin y reduccin Leccin 38 Balanceo redox por mtodo del cambio del No. de oxidacin Leccin 39 Balanceo redox por mtodo del ion electrn 39.1 En medio cido 39.2 en medio bsico 39.3 en medio neutro Ejercicios capitulo Ocho

162

162 163

165 168 170

175 Captulo nueve. ESTEQUIOMTRIA Leccin 40. Relacin estequiomtrica molar REM 40.1 Clculos estequiomtricos utilizando la REM Leccin 41 Reactivo Lmite Leccin 42 Pureza de los reactivos Leccin 43 Rendimiento de una reaccin Leccin 44 Clculos de Estequiometra que involucran gases y soluciones Ejercicios capitulo Nueve AUTOEVALUACION UNIDAD TRES

177 177

180

182 183 184

186 189

INFORMACION DE RETORNO UNIDAD UNO INFORMACION DE RETORNO UNIDAD DOS INFORMACION DE RETORNO UNIDAD TRES Fuentes documentales

192 197 199

202

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LISTADO DE TABLAS Tabla 1 Nmeros cunticos 18 Tabla 2. Configuracin electrnica de los tomos de los elementos 20 Tabla 3 Distribucin electrnica de los metales alcalinos 27 Tabla 4. Tabla peridica de los elementos qumicos 29 Tabla 5. Valores aproximados del carcter polar de un enlace. 40 Tabla 6 Comparacin de algunas propiedades de soluciones, coloides y suspensiones 135 Tabla 7. Constante de disociacin 145

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LISTADO DE GRFICOS Y FIGURAS

Figura 1. Regin de alta probabilidad para un electrn 1s 17 Figura 2. Forma y orientacin de los orbitales. 18 Figura 3. Orden de ocupacin de los subniveles de energa. 24 Figura 4. Tamaos relativos de tomos. 33 Figura 5. Variacin de las propiedades peridicas 34 Figura 6. Estructuras de Lewis de algunos elementos 35 Figura 7. Enlaces covalentes y inicos 40 Figura 8. Enlace covalente a) polar b) no polar 40 Figura 9. Enlace metlico 41 Figura 10. Fuerzas intermoleculares en la superficie de un lquido. 52 Figura 11. Menisco formado por fuerzas de adhesin 53 Figura 12. Variacin de la presin de vapor con la temperatura 51 Figura 13. Diagrama de fases del agua 56 Figura 14. Cambios de estado 72 Figura 15. Curva de calentamiento Temperatura (C) vs tiempo. 73 Figura 16. Molculas 80 Figura 17 Micelas 133

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UNIDAD UNO

ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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PRESENTACIN

Esta unidad comprende tres temas que hacen referencia a la estructura de los elementos y compuestos, los cambios fsicos, haciendo nfasis en los gases y la cantidad de sustancia, por lo que contiene tres captulos:

Captulo 1. Elementos y Compuestos qumicos Captulo 2. Estados de la materia Captulo 3. Cantidad de sustancia

Los temas de esta unidad son la base para los temas tratados en las otras dos unidades y en otros cursos de los programas de Qumica, Ingeniera de alimentos, Ingeniera industrial, Agrarias, Zootecnia y afines y Regencia de Farmacia.

Se pretende que los estudiantes comprendan y diferencien los conceptos de tomo, molcula, orbital atmico, estructura electrnica y la relacin entre esta y la unin qumica. Adems que aprenda la utilidad y manejo de la tabla peridica, conozcan los estados de la materia, sus cambios y el calor involucrado en ellos y entiendan los conceptos de mol y masa molar.

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CAPITULO UNO: ELEMENTOS Y COMPUESTOS QUIMICOS Objetivos

En este captulo se pretende que el estudiante comprenda la estructura del tomo, sus partes y distribucin de los electrones en l. Adems que entienda como se forman las molculas comprendiendo la teora de enlace., diferencie los elementos de los compuestos y las propiedades de estos ltimos dependiendo del tipo de enlace. Comprender los criterios utilizados para la clasificacin de los elementos en la tabla peridica y las propiedades peridicas de los elementos. Aprender a dibujar la frmula electrnica de los elementos utilizando la notacin de Lewis.

Nota: En las diferentes lecciones se presentan ejemplos resueltos y al final de algunas de ellas se presentan autoevaluaciones con sus respuestas para que practiquen sobre los temas correspondientes.

Leccin 1: Estructura de los tomos

La idea principal de una de las teoras ms antiguas de la historia de las ciencias, establece que toda sustancia se puede dividir solo hasta que se obtengan las partculas ms pequeas posibles. Esta idea fue propuesta por el filsofo griego Demcrito (460 AC 370 AC), quien llam a las partculas tomos (del griego ), es decir sin divisin. Los postulados de Demcrito no recibieron reconocimiento, sino hasta el siglo 18, cuando los qumicos comenzaron a explicar los resultados experimentales de sus trabajos utilizando el concepto de tomo. El ingls John Dalton (1766 - 1844) formul en el ao 1808 la teora atmica. Los principales postulados de esta teora son:

Todas las sustancias (materia) estn compuestas de tomos, partculas indivisibles que no pueden ser creadas ni destruidas.

Los tomos de un mismo elemento son totalmente idnticos, es decir, poseen la misma masa y carga. Los tomos de elementos diferentes tienen masas tambin diferentes.

Los tomos permanecen sin divisin, an cuando se combinen en las reacciones qumicas.

Cuando se combinan los tomos para formar compuestos, estos guardan relaciones simples.

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Los tomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar ms de un compuesto.

Los tomos de dos o ms elementos distintos se unen para formar compuestos qumicos.

En el siglo 19 la teora de Dalton fue aceptada por la comunidad cientfica, lo que aviv el inters en el estudio de la estructura atmica. Fue as como se logr el descubrimiento de las partculas subatmicas, que permiti que diversos cientficos1 propusieran modelos atmicos que pretendan explicar el comportamiento de la materia. Todos estos descubrimientos llevaron al declive la teora atmica de Dalton1 1.1 Partculas Subatmicas Los elementos qumicos estn constituidos por una sola clase de tomos. Ejemplo, hierro, cobre, sodio y otros. Estos elementos se representan mediante smbolos derivados de su nombre latino. Elemento Nombre latino Smbolo Elemento Nombre latino Smbolo

Antimonio

Azufre

Cobre

Escandio

Estao

Fsforo

Hierro

Stibium

Sulphur

Cuprum

Scandium

Stanumm

Phosphorus

Ferrum

Sb

S

Cu

Sc

Sn

P

Fe

Mercurio

Oro

Plata

Plomo

Potasio

Sodio

Torio

Hydrargyrum

Aurum

Argentum

Plumbum

Kalium

Natrium

Thorium

Hg

Au

Ag

Pb

K

Na

Th

Los tomos de los elementos qumicos estn compuestos por muchas partculas subatmicas, como: protones, neutrones y electrones, entre otras. En este curso, la atencin se centra en las tres partculas mencionadas anteriormente.

1 El desarrollo histrico de los modelos atmicos se puede consultar en las respectivas fuentes documentales citadas en la gua didctica.

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Caractersticas de las partculas subatmicas Partculas Smbolo Carga elctrica

relativa Masa

Electrn e- Negativa (-1) 9.110 x 10-31 Kg. Protn p Positiva (+1) 1,673 . 10-27 kg. Neutrn n No posee (0) 1,673. 10-27 Kg. El nmero atmico (Z) de un elemento qumico es igual al nmero de protones de su ncleo. En un tomo neutro el nmero de protones es igual al nmero de electrones. El nmero msico (A) ( masa atmica) de un tomo es la suma de la cantidad de protones y neutrones en su ncleo. ste nmero depende de los istopos del elemento en la naturaleza. A (nmero msico) = Z (cantidad de protones)+ N (cantidad de neutrones). Los tomos de un mismo elemento que tienen diferentes nmeros msicos se llaman istopos (se amplia sobre este tema en el captulo 3 de esta unidad). Se representa al tomo con el smbolo del elemento que le corresponde; a la izquierda y arriba del smbolo se escribe el nmero msico (A) y a la izquierda y abajo se coloca el nmero atmico (Z).

XAZ Ejemplo 1: c12

6

Significa que el tomo de carbono tiene 6 protones y 12- 6 = 6 neutrones. El nmero de protones en el ncleo (Z) es invariable, es por esto que cuando un tomo pierde o gana electrones que tienen carga negativa, queda cargado positiva o negativamente, convirtindose en un in, el cual se llama catin si su carga es positiva o anin si es negativa. Son cationes: H+, Al3+, Ca2+ y Aniones: Cl-, NO3-, S2-, entre otros. Ver la siguiente pgina interactiva. http://www.educaplus.org/play-85-Part%C3%ADculas-de-los-%C3%A1tomos-e-iones.html

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Leccin 2: Configuracin Electrnica

De acuerdo a la teora ondulatoria de la luz, los fenmenos de interferencia y difraccin de la luz se pueden comprender si se conocen las leyes de propagacin de las ondas. Otras propiedades de la luz como el espectro de rayas de los elementos y el efecto fotoelctrico se explican a partir de la teora corpuscular de la luz. Esa dualidad de la naturaleza de la luz llev, en 1924, a Louis De Broglie a proponer que los electrones podran tener propiedades ondulatorias. Mucho antes Max Planck haba postulado que las ondas luminosas se componan de partculas. En un intento de unificar las dos posturas, De Broglie propuso que la longitud de onda para una partcula de masa m que se mueve con una velocidad , se determina con la siguiente ecuacin: =h/m - propiedad del movimiento ondulatorio. - propiedad del movimiento de la partcula. h- constante, igual a 6.63 10-34 A partir de esta ecuacin, los modelos atmicos existentes en la poca se volvieron insatisfactorios. Una particularidad surgida de la teora propuesta por De Broglie, fue la imposibilidad de medir simultneamente la velocidad del electrn y su posicin. Este postulado, propuesto por Heisenberg, se denomina principio de incertidumbre. 2.1 Modelo actual del tomo El modelo actual del tomo, es el resumen de las conclusiones de los trabajos de: Heinsenberg, Schrdinger, De Broglie y Dirac entre otros. Durante la primera mitad del siglo 20 los trabajos de los fsicos tericos, Heisenberg, De Broglie, y Schrdinger ayudaron a desarrollar la teora de la estructura atmica basada en la mecnica ondulatoria. Esta teora considera los electrones como ondas cuya trayectoria alrededor del ncleo no es posible conocer. Se postula entonces la "probabilidad" de encontrar el electrn alrededor del ncleo. Si bien no se puede conocer la trayectoria de los electrones, si se pueden determinar, mediante la ecuacin de Schrdinger, regiones espaciales donde es ms probable encontrarlos.

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Figura1.Regindealtaprobabilidadparaunelectrn1s.Amayorsombreadomayorprobabilidad,b.Grficadeprobabilidadcontradistanciaalncleo.

Los resultados de la mecnica ondulatoria cuntica llevaron a la conclusin que los tratamientos matemticos de la mecnica clsica, que son adecuados para sistemas macroscpicos, no se cumplen al aplicarlos a sistemas submicroscpicos, como es el caso de los electrones. La resolucin matemtica de la ecuacin de Schrdinger conduce a la aparicin de tres nmeros cunticos: El primero de ellos se denomina nmero cuntico principal, n, e indica la distancia ms probable del ncleo hasta el electrn. Es un nmero positivo que puede tomar valores de 1, 2, 3 etc. El nmero cuntico principal designa los principales niveles de energa de un orbital. El segundo es el nmero cuntico secundario momento angular l. Determina la forma de los orbitales, indica el subnivel y puede tomar valores desde 0 hasta n - 1. El nmero mximo de electrones en un subnivel est dado por 2(2l + 1).

El tercer nmero cuntico, representado por ml, llamado nmero cuntico magntico, describe la direccin en la que se proyecta el orbital en el espacio. Puede tomar valores as: -l, (-l + 1),. . ., (l-1). . . (+1). Por ejemplo para l = 0, m = 0, si l = 1, m puede tomar tres valores, m = -1, m = 0, m = +1. Si l = 2 m puede tomar cinco valores. m = -2, m = -1, m = 0, m = +1, m = +2.

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Tabla.1combinacionespermitidasdenmeroscunticosparan=1hasta3

No.cunticoprincipal

n

No cuntico demomentoangular;l

No.cunticodemomento

magnticoml

Tipodeorbital

1 0 0 1s0 0 2s

1 2px0 2py

2 1+1 2pz

0 0 3s 1 3px0 3py

1

+1 3pz2 3d 1 3d0 3d+1 3d

3

2

+2 3d

En las Figs. 2a y 2b se ilustra la forma y orientacin de los orbitales.

Figura2aFormayorientacindelosorbitalessyp.

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Figura2bFormayorientacindelosorbitalesd.

En estudios posteriores sobre el paramagnetismo surgi la necesidad de introducir un nuevo nmero cuntico, el spin (ms), para diferenciar dos electrones que se pueden encontrar en un mismo orbital s. De acuerdo con las soluciones de la ecuacin de Schrdinger, ms puede tomar dos nicos valores: +1/2 -1/2, segn el giro del electrn. Simulacin de los orbitales Principio de Exclusin de Pauli El Principio de exclusin de Pauli dice que no pueden existir dos electrones en un mismo tomo con los cuatro nmeros cunticos iguales. Este principio implica que no puede haber ms de dos electrones en cada orbital; y si existen dos electrones en el mismo orbital, deben tener al menos el nmero cuntico del spin diferente (es decir +1/2 y -1/2), es decir los spines de esos electrones son opuestos.

2.2 Distribucin de los electrones en los diferentes estados de energa La energa de un electrn depende tanto del nivel como del subnivel en el cual se encuentra. El siguiente cuadro muestra la relacin de los nmeros cunticos con la estructura atmica.

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Nmero cuntico principal (nivel de energa, n)

Nmero cuntico de momento angular (orbital, l) n subniveles

Nmero cuntico de momento magntico, ml (nmero de orientaciones de los orbitales por subniveles)

Nmero de orbitales por nivel de energa. (n2)

Nmero de electrones por subnivel.

Nmero de electrones por nivel de energa. (2n2)

1 s 1 1 2 2 2 s

p 1 3

4 2 6

8

3 s p d

1 3 5

9 2 6 10

18

4 s p d f

1 3 5 7

16 2 6 10 14

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La distribucin de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energa se muestran en la siguiente tabla: Tabla2.Configuracinelectrnicadelostomosdeloselementos

Grupo o nivel K L M N O P Q

Subgrupo 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s

Nmero atmico y smbolo

I H 1

2 He 2

3 Li 2 1

4 Be 2 2

5 B 2 2 1

21


6 C 2 2 2

7 N 2 2 3

8 O 2 2 4

9 F 2 2 5

10 Ne 2 2 6

11 Na 2 2 6 1

12 Mg 2

13 Al 2 1

14 Si 10 electrones 2 2

15 P 2 3

16 S 2 4

17 Cl 2 5

18 Ar 2 2 6 2 6

19 K 2 2 6 2 6 1

20 Ca 2

21 Sc 1 2

22 Ti 2 2

23 V 3 2

24 Cr 5 1

25 Mn 5 2

26 Fe 6 2

27 Co 18 lectrones 7 2

28 Ni 8 2

29 Cu 10 1

30 Zn 10 2

31 Ga 10 2 1

32 Ge 10 2 2

33 As 10 2 3

34 Se 10 2 4

35 Br 10 2 5

36 Kr 2 2 6 2 6 10 2 6

37 Rb 2 2 6 2 6 10 2 6 1

38 Sr 2

22


39 Y 1 2

40 Zr 2 2

41 Nb 4 1

42 Mo 5 1

43 Tc 5 2

44 Ru 36 electrones 7 1

45 Rh 8 1

46 Pd 10 0

47 Ag 10 1

48 Cd 10 2

49 In 10 2 1

50 Sn 10 2 2

51 Sb 10 3 2

52 Te 10 4 2

53 I 10 5 2

54 Xe 2 2 6 2 6 10 2 6 10 6 2

55 Cs 2 2 6 2 6 10 2 6 10 2 6 1

56 Ba 2 6 2

Grupo o nivel K L M N O P Q

Subgrupo 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s

Nmero atmico y smbolo

57 La 2 6 1 2

58 Ce 1 2 6 1 2

59 Pr 3 2 6 2

60 Nd 4 2 6 2

61 Pm 5 2 6 2

62 Sm 6 2 6 2

63 Eu 7 2 6 2

64 Gd 7 2 6 1 2

65 Tb 9 2 6 1 2

66 Dy 10 2 6 2

67 Ho 11 2 6 2

23


68 Er 12 2 6 2

69 Tm 13 2 6 2

70 Yb 46 electrones 14 2 6 2

71 Lu 14 2 6 1 2

72 Hf 14 2 6 2 2

73 Ta 14 2 6 3 2

74 W 14 2 6 4 2

75 Re 14 2 6 5 2

76 Os 14 2 6 6 2

77 Ir 14 2 6 7 2

78 Pt 14 2 6 9 1

79 Au 14 2 6 10 1

80 Hg 14 2 6 10 2

81 Tl 14 2 6 10 2 1

82 Pb 14 2 6 10 2 2

83 Bi 14 2 6 10 2 3

84 Po 14 2 6 10 2 4

85 At 14 2 6 10 2 5

86 Rn 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2 6

87 Fr 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14 2 6 10 2 6 1

88 Ra 2 6 2

89 Ac 2 6 1 2

90 Th 2 6 2 2

91 Pa 2 2 6 1 2

92 U 3 2 6 1 2

93 No 4 2 6 1 2

94 Pu 6 2 6 2

95 Am 75 electrones 7 2 6 2

96 Cm 7 2 6 1 2

97 Bk 9 2 6 2 2

98 Cf 10 2 6 1 2

99 Es 11 2 6 2

100 Fm 12 2 6 2

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101 Md 13 2 6 2

102 No 14 2 6 2

103 Lr 14 2 6 1 2

104 Rf 14 2 6 2 2

105 Db 14 2 6 3 2

106 Sg 14 2 6 4 2

107 Bh 14 2 6 5 2

108 Hs 14 2 6 6 2

109 Mt 14 2 6 7 2

Con el propsito de facilitar la distribucin de los electrones en los niveles y subniveles es conveniente tener en cuenta las siguientes reglas: 1. Los electrones ocupan primero los subniveles de ms baja energa siguiendo el

orden indicado en la figura 3.

Fig.3a.Ordendeocupacindelossubnivelesdeenerga.

1s2

2s2 2p6

3s2 3p6 3d10

4s2 4p6 4d10 4f14

5s2 5p6 5d10 5f14

6s2 6p6 6d10 6f14

7s2 7p6 7d10 7f14

Fig.3b.Distribucinelectrnicapornivelesysubnivelesdeenergas.

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2. Los electrones llenan de uno en uno los orbitales vacos de un subnivel determinado. Cuando los orbitales se ocupan con un electrn, los restantes electrones, si los hay, formarn parejas con los distribuidos anteriormente. El anterior enunciado constituye la Regla de Hund, que indica que el estado de mnima energa, en los orbitales de un subnivel, es aquel en el cual es posible colocar un mximo de electrones con el mismo espn. En otras palabras, los electrones con igual spin, ocupan los orbitales de uno en uno. Si estn presentes electrones con espn contrario en orbitales diferentes tendern a aparearse produciendo un estado ms energtico y menos probable. Ejemplo 2: El tomo de hidrgeno posee un electrn que ocupar el subnivel de ms baja energa, o sea el 1s. La distribucin electrnica del hidrgeno ser: 1s1. . El nmero 1 indica el nivel en el cual est situado el electrn. La letra describe el subnivel correspondiente y por ltimo, en forma de exponente se indica el nmero de electrones presentes en l. El siguiente elemento, Helio tiene dos electrones, que pueden aparearse en el orbital 1s cuyo nmero mximo de electrones es 2. La distribucin electrnica del helio ser: 1s2. Para el tomo de nitrgeno, que tiene 7 electrones, cuatro de ellos ocuparn por parejas (apareados), los subniveles 1s y 2s, los tres restantes (desapareados, con spines iguales) ocuparn los tres orbitales del siguiente subnivel, el 2p; quedando entonces con cinco electrones (llamados electrones de valencia), en el nivel ms externo.

2p3 2s2 122

Si observamos el nitrgeno tiene cinco electrones en el nivel ms externo. Estos son sus electrones de valencia. Para cualquier tomo los electrones de valencia son los electrones del ltimo nivel. El siguiente cuadro muestra la distribucin electrnica de los 10 primeros elementos.

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Elemento Nmero atmico

Distribucin electrnica.

Nmero de electrones desapareados.

H 1 1s1 1 He 2 1s2 0 Li 3 1s2 2s1 1 Be 4 1s2 2s2 0 B 5 1s2 2s2 2p1 1 C 6 1s2 2s2 2p2 2 N 7 1s2 2s2 2p3 3 O 8 1s2 2s2 2p4 2 F 9 1s2 2s2 2p5 1 Ne 10 1s2 2s2 2p6 0

Ejemplo: Realizar la distribucin electrnica del elemento con nmero atmico 20. Solucin: De acuerdo al diagrama de las Figuras 3a y 3b, la distribucin electrnica ser:

ls2 2s2 2p6 3s2 3p6

4s2 Ver la siguiente pgina interactiva: http://www.educaplus.org/play73Configuracinelectrnica.html Leccin 3: Tabla Peridica de los Elementos Un paso importante en el desarrollo de la qumica lo constituy la organizacin de numerosas observaciones en el comportamiento de los elementos qumicos. Entre muchos intentos realizados, el ms importante fue un esquema de organizacin de los elementos con base en sus pesos atmicos, propuesto por el qumico ruso Dimitri Mendeleev. Este esquema constituye en la actualidad la Tabla peridica de los elementos qumicos. La tabla peridica. Es probablemente la herramienta ms importante de la qumica. En ella, los elementos qumicos estn organizados, actualmente, segn la carga del ncleo. Esta organizacin permite enunciar la ley peridica as: "Las propiedades qumicas y fsicas de los elementos son funcin peridica de sus nmeros atmicos".

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Esta ley significa que cuando se ordenan los elementos por sus nmeros atmicos en forma ascendente, aparecen grupos de ellos con propiedades qumicas similares y propiedades fsicas que varan peridicamente. Ver la Tabla peridica en: http://personal1.iddeo.es/romeroa/latabla/index.htm La tabla peridica est organizada en columnas (grupos) y filas (periodos) que permiten establecer una relacin entre la distribucin electrnica de los elementos y su lugar en la tabla peridica. Los grupos son las columnas verticales de la tabla, constituidos por elementos que manifiestan propiedades fsicas y qumicas similares. Por ejemplo, al realizar la distribucin electrnica de los elementos del primer grupo (primera columna) se puede observar que la terminacin electrnica es idntica para ellos. Se puede notar que todas terminan en s1. Esta familia est formada por los elementos litio (Li), sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb) y cesio (Cs), llamada de los metales alcalinos, los cuales en general son slidos a 0C que funden por debajo de 200C, de color plateado y con propiedades metlicas como poseer buena conductividad del calor y la electricidad, ser maleables, dctiles y oxidarse fcilmente al aire; reaccionan violentamente con el agua para formar hidrxidos. Desde el punto de vista farmacutico, los compuestos que tienen sodio por tener menor tamao, permiten incluir ms unidades por gramo adems de que tienen una mayor capacidad de hidratacin, aunque las sales que tienen potasio se disuelven mejor en solventes orgnicos. Adems, el sodio es un catin de lquidos extracelulares, en tanto que el potasio lo es de lquidos intracelulares.

Tabla3.Distribucinelectrnicadelosmetalesalcalinos

3Li

11Na

19K

37Rb

55Cs

87Fr

1s22s1

1s22s22p63s1

1s22s22p63s23p64s1

1s22s22p63s23p63d104s24p65s1

1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s15p66s1

1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s26p67s1

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Los elementos con distribucin electrnica terminada en s2 constituyen otro grupo con propiedades similares y se llaman alcalino-trreos. Est constituido por los elementos berilio (Be), magnesio (Mg), calcio (Ca), estroncio (Sr) , bario (Ba) y radio (Ra), los cuales presentan propiedades metlicas, color plateado gris, se combinan con el oxgeno para formar xidos y con los halgenos para formar sales, las cuales tienen importancia desde el punto de vista farmacolgico ya que por ejemplo las del magnesio se usan como anticidos, en tanto que el hidrxido y el sulfato de este elemento son catrticos y el ltimo es adems anticonvulsivo o antiinflamatorio aplicado tpicamente. El calcio se utiliza ampliamente como reemplazo del sodio en caso de hipertensin.

Otras familias son:

El grupo del Boro, con distribucin electrnica terminada en s2p1. El grupo del Carbono, con distribucin electrnica terminada en s2p2. El grupo del Nitrgeno, con distribucin electrnica terminada en s2p3. El grupo del Oxgeno, con distribucin electrnica terminada en s2p4. Los Halgenos, con distribucin electrnica terminada en s2ps, de los cuales,

las sales de flor como el fluoruro de sodio y el fluoruro estannoso se usan como profilctico dental. El cloro se usa ampliamente ya que los cloruros de sodio, potasio y calcio se usan para reponer iones electrolticos, el cloruro de amonio es expectorante y el hipoclorito de sodio desinfectante y desodorante. El clorato de potasio forma parte de coluptorios bucales, duchas vaginales y otras preparaciones limpiadoras locales. El bromo es custico y germicida poderoso aunque de muy difcil uso, en tanto que el in bromuro es un depresivo de dosificacin muy precisa. El yodo se usa en soluciones mezclado con su sal de potasio como desinfectante, y para regular el funcionamiento de la tiroides (hipertiroidismo).

Finalmente Los gases nobles con distribucin electrnica terminada s2p6 Los ocho grupos anteriores se conocen como elementos representativos.

Para la mayora de los elementos el nmero de su grupo esta determinado por el nmero de electrones de valencia.

Adems, se puede observar que existen otras dos series de elementos, la primera de las cuales tiene una distribucin electrnica ordenada terminada en ds; se reparten en 10 grupos y se llaman elementos de transicin. La segunda serie tiene una distribucin electrnica ordenada termina en fs, distribuidos en 14 grupos

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Tabla4.Tablaperidicadeloselementosqumicos

y se conocen como elementos de tierras raras elementos de transicin interna.

En la tabla peridica se puede observar que en forma horizontal se obtienen conjuntos de elementos que presentan el mismo nmero de niveles ocupados con electrones, constituyendo cada conjunto, un perodo.

El primer perodo lo forman los elementos hidrogeno, H y helio, He. El segundo periodo est conformado por ocho elementos: Li, Be, B, C, N, O, F y Ne, el tercero por ocho, el cuarto por diez y ocho, etc. En el primer perodo se llena el nivel uno, en el segundo el nivel 2 y as sucesivamente.

Algunos elementos como Cr, Cu, Ag, Au, etc. presentan una aparente irregularidad en la distribucin electrnica, pero este comportamiento se explica en base a la regla de Hund que dice "Los elementos tienden, cuando es posible a poseer un subnivel d f semi completo, lo que produce mayor estabilidad.

Es importante sealar que los elementos qumicos dentro de la tabla peridica tambin se clasifican de acuerdo a algunas propiedades fsicas, como es el caso

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del carcter metlico que puedan poseer o no. Existen elementos metlicos, no metlicos y metaloides.

En la tabla peridica los elementos de cada grupo se localizan de la siguiente manera:

3.1. Elementos Representativos: los elementos representativos se caracterizan porque su distribucin electrnica termina en sp ps y estn ubicados en ocho grupos familias.

Las familias representativas son designadas con la letra A y un nmero romano igual al nmero de electrones de valencia, que resultan de sumar los electrones que hay en los subniveles s s y p del ltimo nivel.

El perodo, en el cual se localiza un elemento representativo, lo da el ltimo nivel de la distribucin electrnica, o sea el mayor valor del nmero cuntico principal. Ejemplo 3: Localice en la tabla peridica los elementos cuyos nmeros atmicos son respectivamente 20 y 35. Solucin: a. La distribucin electrnica para el elemento con z = 20 es: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2

En esta distribucin electrnica se observa que ltimo nivel electrnico es 4, es decir el elemento pertenece al periodo 4; tambin se observa que en el ltimo nivel solo hay electrones en 4s porque el 4p no est ocupado con electrones; o sea que la suma es 2 + 0 = 2 y por lo tanto, el elemento es del grupo IIA. Es representativo porque su distribucin electrnica termina en s. b. La distribucin electrnica para el elemento con z = 35 es 12 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Ordenndola de acuerdo a los niveles ocupados queda: ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 como se puede observar el ltimo nivel es 4; loque proporciona el perodo. El grupo se puede hallar sumando los electrones en s y p del ltimo nivel; o sea 2+5 = 7; el elemento es del grupo VIIA, y es representativo porque su distribucin electrnica termina en sp.

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3.2 Elementos de Transicin: Estn constituidos por todos los elementos cuya configuracin electrnica ordenada ascendentemente segn el valor de n tiene como penltimo el subnivel ocupado con electrones el d. Las familias de transicin se designan con la letra B y un nmero romano que resulta de sumar los electrones de los ltimos subniveles d y s, del penltimo y del ltimo nivel respectivamente. Si la suma es 3, 4, 5, 6, 7 el grupo es res-pectivamente IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB. Si la suma es 8, 9 10 el grupo es VIIIB primera, segunda o tercera columna respectivamente. Y si la suma es 11 12 el grupo es IB y IIB respectivamente. El perodo se determina tambin por el ltimo nivel en la distribucin electrnica. Ejemplo 4: Localice en la tabla peridica los elementos cuyos nmeros atmicos son respectivamente 25 y 26. Solucin: a. Para el elemento con Z = 25 la distribucin electrnica es: ls2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 4s2 , 3d5

En forma ordenada por niveles ser: ls2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d5 ,4s2

Si se observa el penltimo subnivel ocupado es 3d. El elemento es de transicin y su ltimo nivel es 4 por lo tanto pertenece al periodo 4. Para hallar el grupo se suman los electrones de los subniveles 3d y 4s; es decir a 5 + 2 = 7; por lo tanto, corresponde al grupo VIIB. a. El elemento con Z = 26 la distribucin electrnica es: ls2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 4s2 ,3d6 Ordenando por niveles ocupados es: 1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6 , 3d6 , 4s2 Como se puede observar, el elemento es de transicin porque el penltimo subnivel ocupado en la distribucin electrnica ordenada es el 3d. El perodo en el cual se localiza el elemento es el 4 por ser el valor del ltimo nivel en la distribucin electrnica. Para hallar el grupo se suman los electrones de los subniveles 3d y 4s; o sea, 6 + 2 =8; corresponde, por lo tanto, al grupo VIIIB.

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3.3 Los elementos de tierras raras: Son todos aquellos elementos en cuya configuracin electrnica ordenada, el penltimo subnivel es 4f o 5f. Los elementos de transicin interna se colocan aparte en la tabla peridica en dos grupos o series de elementos; la primera serie comienza con el elemento que sigue al lantano y por eso se llama serie lantnida. La distribucin electrnica ordenada de esta serie termina en 4f 6s. La segunda serie comienza con el elemento que sigue al actinio, en el periodo y por eso se llama serie actnida, constituida por los elementos cuya configuracin electrnica ordenada termina en 5f 7s. La serie lantnida corresponde al perodo 6 y la actnida al perodo 7 de la tabla peridica. Leccin 4: Propiedades Peridicas de los elementos Existe una serie de propiedades en los elementos que varan regularmente en la tabla peridica y que se denominan propiedades peridicas. Esto es, se repite un patrn particular de propiedades a medida que aumenta el nmero atmico. Entre ellas se encuentran: la densidad, el punto de ebullicin, el punto de fusin, la energa de enlace, el tamao atmico, el potencial de ionizacin, la afinidad electrnica y la electronegatividad, entre otras. Ver tabla peridica y propiedades peridicas en: http://tablaperiodica.educaplus.org/ 4.1 Tamao atmico. Una propiedad de los elementos que muestra una relacin peridica es el tamao de sus tomos. En general, el radio atmico disminuye de izquierda a derecha en un mismo periodo (por ejemplo del litio al flor). En los grupos el radio atmico aumenta a medida que aumenta el nmero atmico. Observe la variacin peridica de los tamaos relativos de los tomos, en la figura 4.

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Figura4.Tamaosrelativosdetomos.

4.2 La Energa o Potencial de Ionizacin. Es otra propiedad peridica importante. Es la energa requerida para quitarle un electrn a un tomo neutro en el estado gaseoso. tomo (gaseoso) + energa in positivo (catin) + 1 electrn Ejemplo 5: Na(g) + energia Na+ + 1e- La variacin de esta propiedad peridica se explica fcilmente si se considera que a mayor tamao atmico, menor fuerza de atraccin sobre los electrones de valencia y por lo tanto menor energa o potencial de ionizacin; por lo cual, en la tabla peridica en un perodo, de izquierda a derecha, aumenta la energa de ionizacin por el efecto del aumento en la carga. Se observa la relacin inversa cuando disminuye el tamao de los tomos. En un grupo de la tabla peridica, de arriba hacia abajo, el potencial de ionizacin disminuye debido al aumento en el nmero de niveles de energa ocupados con electrones. 4.3 Afinidad Electrnica: Es la energa liberada cuando un tomo neutro en el estado gaseoso enlaza un electrn para formar un in negativo (anin). El proceso se representa as: tomo (gaseoso) + 1 electrn anin + energa

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Ejemplo 6: Cl + 1e Cl- + energa

Figura5.VariacindelaspropiedadesperidicasLa afinidad electrnica se comporta de la misma manera que el potencial de ionizacin en cada uno de los grupos y perodos de la tabla peridica. 4.4 Electronegatividad Qumica: Es la tendencia relativa que tienen los tomos para atraer los electrones que participan en un enlace qumico al formarse los compuestos; Es una de las propiedades peridicas ms importantes en qumica, con base en la cual se establecen las propiedades de los enlaces qumicos y se explica el comportamiento y las propiedades de las sustancias. Se han propuesto varias escalas de valores para medirla, pero la que mayor aceptacin ha tenido es la de Linus Pauling, quien asign al flor, arbitrariamente, un valor de 4 y a los dems elementos valores que dependen de la tendencia relativa por atraer los electrones en un enlace. Esta propiedad peridica tambin depende de los mismos factores que las dems. Entre mayor sea la carga nuclear de un tomo, mayor es la tendencia para atraer electrones y ser mayor su electronegatividad; a mayor tamao, menor es esta tendencia y menor es el valor de la electronegatividad.

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Leccin 5: Compuestos quimicos. Estructura de las molculas 5.1 Estructuras de Lewis La idea de enlace covalente fue sugerida en 1.916 por G. N. Lewis: Los tomos pueden adquirir estructura de gas noble compartiendo electrones para formar un enlace de pares de electrones. Las estructuras de Lewis son tiles para entender los enlaces en muchos compuestos y se utiliza al estudiar las propiedades de las molculas. Smbolos de Lewis: Son una representacin grfica para comprender donde estn los electrones en un tomo, colocando los electrones de valencia (electrones del ltimo nivel), como puntos alrededor del smbolo del elemento:

.

Figura6.EstructurasdeLewisdealgunoselementos(Tomadodehttp://www.acienciasgalilei.com/alum/qui/lewis#307,6,Diapositiva6)

Regla del octeto: Los tomos se unen compartiendo electrones hasta conseguir completar la ltima capa con 8 e- (4 pares de e-) es decir conseguir la configuracin de gas noble: s2p6 Tipos de pares de electrones: 1- Pares de e- compartidos entre dos tomos (representado con una lnea entre los tomos. unidos) Enlaces sencillos Enlaces dobles Enlaces triples 2- Pares de e- no compartidos ( par solitario)

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Cmo dibujar estructuras de Lewis? Dibujar estructuras de Lewis es una habilidad importante que el estudiante debe practicar. Par ello se debe seguir los siguientes pasos: 1. Sumar los electrones de valencia de todos los tomos (puede ayudarse con la tabla peridica), En el caso de un anin, sume un electrn por cada carga negativa. En el caso de un catin, reste un electrn por cada carga positiva. 2. Escriba los smbolos de los tomos para indicar cules tomos estn unidos entre si, y conectemos con un enlace sencillo (cada guin representa dos electrones) 3. Site como tomo central el ms electronegativo (nunca el H). En las frmulas qumicas suele escribirse en el orden en que los tomos se conectan en las molculas o ion, ejemplo HCN, si un tomo tiene un grupo de tomos unido a l, el tomo central suele escribirse primero, ejemplo en (CO3)2- y en SF4. 4. Completar los octetos de los tomos unidos al tomo central (recuerde que el H solo puede tener 2 electrones). 5. Coloque los electrones que sobran en el tomo central. 6. Si no hay suficientes electrones para que el tomo central tenga un octeto, pruebe con enlaces mltiples. Ejemplo 7: dibujar la estructura de Lewis del tricloruro de fsforo PCl3 Solucin: Primero, sumamos los electrones de valencia. El fsforo (grupo VA) tiene 5 electrones de valencia, y cada cloro (grupo VIIA) tiene 7, total de 26 electrones (5 + 7 X 3 = 5 + 21 = 26) Segundo, Colocamos en el centro el Fsforo, que en la frmula est escrito primero (ver paso tres para dibujar estructuras de Lewis), los cloros alrededor conectados con un enlace sencillo. Cl P Cl Cl Tercero, se completan los octetos de los tomos unidos al tomo central. Se han colocado 24 electrones, Cl P Cl

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Cl Cuarto, colocamos los dos electrones, restantes en el tomo central ** Cl P Cl Cl En la anterior estructura cada () representa electrones del Cl y los * electrones del P. Cada cloro tiene 7 electrones y el P tiene 5 electrones ** Cl * P * Cl * Cl Esta estructura da a cada tomo un octeto. Recordar que los enlaces representan dos electrones y cuentan para ambos tomos. Ejemplo 8: Dibuje la estructura de Lewis del HCN. Solucin: El H tiene un solo Electrn de valencia el C tiene 4 y el N tiene 5, en total 10 electrones de valencia. De acuerdo al paso tres de cmo dibujar estructuras de Lewis, se sigue el orden como est escrita la frmula, colocando enlaces sencillos entre los elementos de la molcula :

Los dos enlaces cuentan por cuatro electrones, El Hidrgeno qued completo ya que el solo tiene dos electrones de valencia. Si se colocan los 6 electrones restantes alrededor del N quedara con su octeto completo, pero el C, no.

Se prueba a colocar dble enlace con uno de los pares alrededor del N, pero todava quedan menos de ocho electrones alrededor del C, se prueba con triple enlace y as si da octeto alrededor del C y del N.:

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H C N :

En las diez primeras diapositivas del siguiente enlace encuentran sobre el tema de las estructuras de Lewis. http://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.html http://www.estudiandooptica.com/quimica/enlacequimico.pdf Leccin 6: Enlaces Qumicos. En la naturaleza existen diversos compuestos formados por ms de un tomo de igual o diferentes clases, que se unen por medio de enlaces qumicos, en los cuales participan los electrones de valencia de los tomos enlazados. Enlace qumico se define como la fuerza de unin que existe entre dos tomos, cualquiera que sea su naturaleza, debido a la transferencia total o parcial de electrones para adquirir ambos la configuracin electrnica estable correspondiente a los gases inertes; en el proceso se unen tomos iguales o diferentes para formar molculas estables. Cuando los tomos reaccionan para formar enlaces nicamente actan los electrones del nivel ms externo, denominado nivel de valencia. Para representar los electrones del nivel de valencia se usa la notacin de Lewis, as llamada en honor del fsico estadounidense Lewis (1875-1946), que consiste en escribir los smbolos atmicos rodeados de tantos puntos como electrones tenga el tomo en el nivel de valencia (ver fig 6). 6.1 Enlaces Intramoleculares (dentro de la molcula) Teora sobre la formacin de enlaces. Teora electrnica de la valencia Los electrones de valencia de un tomo juegan un papel importante en la formacin de los compuestos qumicos. Estos electrones son transferidos de un tomo a otro son compartidos entre los tomos que conforman el compuesto. La transferencia o el comportamiento de electrones originan los enlaces qumicos. Segn la teora del enlace de valencia los enlaces qumicos pueden ser: 6.1.1 Enlace covalente. Es el enlace en el cual los electrones de valencia de los tomos son compartidos entre ellos, porque poseen igual electronegatividad, o poca diferencia de ella. Cabe resaltar que en el enlace covalente no ocurre transferencia de los electrones que participan en el enlace; quedan compartidos

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entre los tomos enlazados. Esta clase de enlace se produce entre elementos no metlicos, o metlicos con el hidrgeno. En algunos casos puede darse un enlace covalente coordinado o dativo, en el que uno slo de los tomos aporta los dos electrones que se comparten en el enlace. Ejemplo: El amonaco aporta el par de electrones al catin de hidrgeno para formar el in amonio. : NH3 + H+ [H:NH3]+ NH4+

El enlace covalente se puede clasificar de acuerdo a diversos criterios: a. La cantidad de electrones compartidos. Si entre los tomos se comparten dos electrones el enlace es covalente sencillo, simple saturado. Cuando los electrones compartidos son cuatro, el enlace es doble o insaturado. Por ltimo si se comparten seis electrones, el enlace es triple, insaturado. b. La diferencia de electronegatividades. El enlace covalente es polar si la diferencia de electronegatividades es mayor que cero, y el par de electrones no se encuentra distribuido equitativamente entre los tomos. Ejemplo: H:CL El enlace covalente es apolar si la diferencia de electronegatividades es igual a cero. En este caso, el par de electrones se distribuye equitativamente entre los tomos. Ejemplo: H2 6.1.2 Enlace inico. Es el enlace formado entre dos tomos con una apreciable diferencia en el valor de sus electronegatividades. Los electrones de valencia de los tomos son transferidos de un tomo a otro. En este enlace el tomo menos electronegativo cede electrones y queda cargado positivamente en forma de catin, mientras que el tomo ms electronegativo recibe los electrones y queda cargado negativamente en forma de anin. Los compuestos inicos resultan normalmente de la reaccin de un metal de bajo potencial de ionizacin, con un no metal. Los electrones se transfieren del metal al no metal. El enlace inico formado se mantiene por las atracciones electrostticas entre iones. Ejemplo: Na+Cl-

En la tabla 5 se puede observar que entre mayor sea la diferencia de electronegatividades, mayor es el carcter polar del enlace. Un enlace es inico cuando se unen dos tomos cuya diferencia de electronegatividades es mayor que 1,9.

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Tabla5.Valoresaproximadosdelcarcterpolardeunenlace.Diferencia de

electronegatividades

0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

Porcentaje del carcter inico

12 19 26 34 43 51 59 67 74 79

Figura7.a.Formacindeenlacecovalenteb.Inico,

Segnlateoradelenlacevalencia.

Figura8.Enlacecovalente.a.Nopolarb.Polar

Se puede determinar si un enlace es inico, covalente polar no polar, mediante la diferencia de electronegatividades. Considerar los siguientes tres compuestos que contienen fluor. Compuesto F HF LiF Diferencia de electronegatividades 4.0 4.0 = 0 4.0 2.1 = 1.9 4.0 1.0 = 3.0

Tipo de enlace Covalente no polar Covalente polar Inico

Ver: http://www.educaplus.org/play-78-Naturaleza-del-enlace-qumico.html http://www.educaplus.org/play-77-Enlace-inico.html Video Enlace inico: http://www.youtube.com/watch?v=_BslF3FVYEk&NR=1

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6.1.3 Enlace metlico Para explicar las propiedades caractersticas de los metales (su alta conductividad elctrica y trmica, ductilidad y maleabilidad,...) se ha elaborado un modelo de enlace metlico conocido como modelo de la nube o del mar de electrones: Los tomos de los metales tienen pocos electrones en su ltima capa, por lo general 1, 2 3. Estos tomos pierden fcilmente esos electrones (electrones de valencia) y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metlica. Los electrones de valencia desprendidos de los tomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a travs de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve. (tomado de http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/enlaces/enlaces1.htm) Se llama enlace metlico al tipo de unin que mantiene unidos los tomos de los metales entre s. Estos tomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura tpica de empaquetamiento http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Empaquetamiento_compacto_de_esferas&action=edit

compacto de esferas. En este tipo de estructura cada tomo metlico est rodeado por otros doce tomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo).

Figura9.Enlacemetlico

(tomado de http://mx.geocities.com/marcos693/enlacesquimicos.htm) El enlace metlico tiene lugar entre los metales. En este enlace no existe una autntica unin entre los tomos, sino una red de iones positivos, y entre los espacios vacos circulan electrones libres. 6.2 Fuerzas intermoleculares

Los enlaces covalentes y otros, que son fuerzas entre tomos para formar molculas, estudiado en la leccin anterior, influyen en la forma molecular, las energas de enlace y muchos aspectos de sus comportamientos qumicos. A

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continuacin se estudiarn las fuerzas que existen entre las molculas, las Fuerzas intermoleculares, de las que dependen las propiedades fsicas de los lquidos y de los slidos moleculares.

En los gases, como se ver en la teora cintico molecular del siguiente captulo, las fuerzas entre sus molculas es menor que la energa cintica promedio de ella, lo que las mantiene separadas y permite a los gases expandirse, en cambio en los lquidos y los slidos las fuerzas de atraccin entre las molculas, son lo bastante intensas para mantener sus molculas juntas. En los slidos esas fuerzas son mayores que en los lquidos, haciendo que sus molculas no solo estn muy juntas sino prcticamente fijas en un sitio, mientras que en los lquidos las fuerzas menos intensas que en los slidos, permite que las molculas fluyan.

6.2.1 Enlace por puentes de Hidrgeno

Otro tipo de enlace, muy importante en los sistemas biolgicos, es el enlace por puentes de hidrgeno. Estos enlaces se forman entre tomos de hidrgeno y otros tomos ms electronegativos como oxgeno y nitrgeno. Los enlaces por puentes de hidrgeno son enlaces dbiles. Sin embargo, cuando se forman muchos enlaces de este tipo en y entre macromolculas la estabilidad general de la molcula aumenta notablemente.

6.2.2 Fuerza de Van der Waals

Las fuerzas dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido, y de dispersion constituyen los que los qumicos llaman comnmente Fuerzas de VAN DER WAALS.

Fuerza dipolo-dipolo: "son las fuerzas que actan entre molculas polares esto es, entre molculas que tienen momento dipolo. Su origen es electrosttico. A mayor momento dipolo, mayor fuerza. Ej. HBr y H2S, son molculas polares por lo tanto las fuerzas entre ellos son dipolo-dipolo.

Fuerzas de dispersin de London : "son las fuerzas atractivas que se originan como resultado de los dipolos temporales inducidos en los tomos o molculas y pueden ser muy dbiles. las fuerzas de dispersin comnmente aumentan con la masa molar por la siguiente razn: las molculas con una masa molar grande tienden a tener ms electrones y las fuerzas de dispersin aumentan en magnitud al nmero de electrones. Adems la masa molar grande a menudo indican tomos grandes cuya distribucin electrnica es mas fcil de perturbar debido a que los electrones externos estn menos fuertemente atados al ncleo. Los puntos de fusin de molcula como el CH4 ,

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CF4 , CCL4 etc. Aumentan a medida que se incrementa el nmero de electrones en la molcula. Dado que todas estas molculas son no-polares las nicas fuerzas intermoleculares de atraccin presentes son fuerzas de dispersin.

6.3 Propiedades de los enlaces. A. Propiedades de las sustancias inicas: Las sustancias inicas se encuentran en la naturaleza formando redes

cristalinas, por tanto son generalmente slidas. La mayora corresponde a compuestos inorgnicos Su dureza es bastante grande, y tienen por lo tanto puntos de fusin y

ebullicin altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Cuando se tratan de sustancias disueltas o fundidas tienen una conductividad

alta. Sus reacciones tienen rendimientos altos y son rpidas. B. Propiedades de los compuestos covalentes. Los compuestos covalentes suelen presentarse en estado lquido o gaseoso

aunque tambin pueden ser slidos. Por lo tanto sus puntos de fusin y ebullicin no son elevados.

La mayora corresponde a compuestos orgnicos La solubilidad de estos compuestos es mnima en disolventes polares. Generalmente en solucin no conducen la corriente elctrica (excepto los

cidos). Los slidos covalentes macromoleculares, tienen altos puntos de fusin y

ebullicin, son duros, malos conductores y en general insolubles. Las reacciones son de bajo rendimiento y lentas.

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EJERCICIOS CAPITULO UNO 1. Complete el siguiente cuadro.

Smbolo del elemento

Nmero atmico

Nmero msico

Nmero de protones

Nmero de neutrones

Nmero de electrones

9 10 14 15 47 25 55 25

2. Determine el nmero de protones, neutrones, y electrones en los siguientes pares de istopos.

a. Li63 Li73 b. Ca

4020 Ca

4420 c. Se

7834 Se

8034

3. Determine el nmero de protones, neutrones, y electrones en los siguientes iones.

a. Fe5626 +3 b. I12753

-

4. Por qu un tomo es elctricamente neutro? 5. Por qu puede haber ms de 500 clases de tomos, si solamente existen cerca de 100 elementos? FALSO Y VERDADERO 6 Indique si son falsos o verdaderos cada uno de los enunciados siguientes: A. Los electrones en un mismo nivel tienen la misma energa. B. En los subniveles de energa el electrn tiene energa cintica constante. C. El nmero cuntico magntico indica el tipo de orbital. D. El nmero de neutrones es igual al nmero de masa menos el nmero de pro tones. E. Todos los orbitales de un mismo subnivel, tienen igual energa.

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F. Para el elemento Z = 35 los electrones del ltimo nivel de energa son 7. G. El nivel de energa con n = 4 puede albergar hasta 32 electrones. H. En un tomo pueden existir 2 e con los 4 nmeros cunticos iguales. Seleccin mltiple con nica respuesta: 7. Qu configuracin electrnica corresponde al in Ca+2? a) 1s22s2

b) 1s22s22p63s2

c) 1s22s22p6

d) 1s22s22p63s23p6

e) 1s22s22p63s23p64s 8. El elemento cuya notacin espectral Terminal es 4s2 3d2 tiene un nmero atmico. a) 20 b) 18 c) 24 d) 22 e) 26 9. Qu par de orbitales tienen la misma forma? a) 2s y 2p b) 2s y 3s c) 3p y 3d d) ms de una es correcta. 10. En el tercer nivel de energa, a) Hay dos subniveles de energa b) El subnivel f tiene 7 orbitales c) Hay tres orbitales s d) Es permitido un mximo de 18 electrones.

Propiedades Peridicas de los elementos

Seleccin mltiple con nica respuesta: 11.El tamao atmico:

a. ( ) aumenta si aumenta la carga nuclear b. ( ) disminuye si aumenta la carga nuclear c. ( ) disminuye si aumenta el nmero de niveles llenos. d. ( ) disminuye si la carga nuclear disminuye e. ( ) se mantiene constante cuando vara la carga.

12.La energa de ionizacin

a. ( ) permanece constante si la carga nuclear disminuye. b. ( ) aumenta si la carga nuclear aumenta. c. ( ) disminuye si la carga nuclear aumenta.

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d. ( ) disminuye a lo largo de un perodo. e. ( ) es mayor para los elementos del grupo VA que para los elementos del

grupo VIIA. 13.El elemento con z = 49

a. ( ) es de transicin. b. ( ) es un gas noble. c. ( ) se localiza en el perodo 4 grupo IVA. d. ( ) se localiza en el perodo 5 grupo IIIA. e. ( ) se localiza en el perodo 4 grupo IIIA.

14.El elemento neutro que ocupa 9 orbitales en su distribucin electrnica se localiza en el:

a. ( ) perodo 1 grupo IA b. ( ) perodo 4 grupo VA c. ( ) perodo 3 grupo IIIA. d. ( ) perodo 3 grupo VIIA e. ( ) perodo 2 grupo VI A.

Preguntas abiertas 15. Clasificar los siguientes compuestos en covalentes o inicos, tomando como base la diferencia de electronegatividades as: Enlace inico: 1,9 o mayor Enlace covalente polar: entre 0,1 y 1,9 Enlace covalente no polar 0,3 o menor. a. MgCl2 b. Na2S c. NH3. d. H2O e. H2S 16. Qu compuesto de cada par tiene un enlace puente de hidrgeno

intramolecular ms fuerte? a. NH3, H2O b. H2S , H2O c. HCl, HBr d. HCl, HF.

17. Los enlaces entre los siguientes pares de elementos son covalentes.

Ordnelos de acuerdo a la polaridad, del ms polar al menos polar. a. H -O b. H-S c. H-N d. H-H e. H-C.

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CAPITULO DOS. ESTADOS DE LA MATERIA

Objetivos

En el captulo 2, se presenta al estudiante las bases sobre los diferentes estados de la materia y el estudio de los ms representativos, para que conceptualice y comprenda el por qu de sus diferencias, especialmente con base en los postulados de la teora cintica.

Se pretende que el estudiante profundice sobre los temas y clculos de las leyes de los gases ideales y el calor involucrado en los cambios de estado.

Introduccin. Los slidos, lquidos y gases son los estados ms comunes de la materia que existen en nuestro planeta. Sin embargo existen otros estados como son el plasma y los condensados Bose-Einstein. Los plasmas son gases calientes e ionizados. Los plasmas se forman bajo condiciones de extremadamente alta energa, tan alta, en realidad, que las molculas se separan violentamente y slo existen tomos sueltos. Los condensados B-E representan un quinto estado de la materia visto por primera vez en 1955. Son superfludos gaseosos enfrados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto. En este extrao estado, todos los tomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecnico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna friccin entre s. An ms extrao es que los condensados B-E pueden atrapar luz, para despus soltarla cuando el estado se rompe. Tambin han sido descritos o vistos varios otros estados de la materia menos comunes. Algunos de estos estados incluyen cristales lquidos, condensados ferminicos, superfludos, superslidos y el correctamente denominado "extraa materia". (tomado de http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=120&l=s ) Leccin 7: Teora Cintico Molecular Para comprender como se comporta la materia en los tres estados, se necesita un modelo que ayude a visualizar lo que sucede con las partculas que los forman.

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Un modelo desarrollado durante ms de 100 aos, comenzado en 1738 con Daniel bernoulli y culminado en 1857 por Rudolf Clausius (1822-1888) se conoce como Teora Cintico Molecular (la teora de las molculas en movimiento) comprende, en resumen, los siguientes postulados aplicados a todos los estados de la materia:

1. La materia est constituida por partculas que pueden ser tomos molculas cuyo tamao y forma caractersticos permanecen en cualquiera de los tres estados, slido, lquido gas.

2. Estas partculas poseen energa representada en continuo movimiento aleatorio traslacional, vibracional y rotacional. En los slidos y lquidos los movimientos estn limitados por las fuerzas cohesivas, las cuales hay que vencer para fundir un slido evaporar un lquido.

3. La energa depende de la temperatura. Es proporcional a ella, a mayor temperatura mayor energa cintica,

4. Existe una atraccin mutua de naturaleza elctrica, entre las partculas. 5. La energa promedio de las partculas es constante a temperatura

constante En una colisin la energa cintica de una partcula se transfiere a otra sin prdidas de la energa global.

Se recomienda ver la siguiente pgina web URL: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/estados/estados1.htm

Leccin 8: Estado slido

El estado slido de la materia se compone de ordenamientos de partculas que no se desplazan de un sitio a otro y vibran en torno a posiciones fijas en sus estructuras. Estos slidos se denominan slidos cristalinos. Otros slidos, denominados amorfos, no tienen estructuras ordenadas y bien definidas. Los vidrios se consideran slidos amorfos o lquidos superenfriados, ya que fluyen con suma lentitud.

Cuando un slido se calienta, sus partculas vibran ms rpido y su energa cintica aumenta, lo que provoca el rompimiento de la organizacin hasta la fusin del mismo. La temperatura de fusin es la temperatura a la cual el slido se convierte en lquido.

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En el caso de los slidos se hace una restriccin al segundo postulado de la teora cintico molecular 2. La energa de las partculas es menor que en los otros estados, su energa cintica promedio no permite que las molculas se desplacen, estn sujetas una a otra en una posicin fija y en un ordenamiento regular. Sin embargo, las partculas poseen energa suficiente para vibrar. 8.1 Caractersticas de los slidos Tienen forma y volumen definido, son rgidos y no presentan fluidez (las

fuerzas de cohesin en el slido son suficientes como para contrarrestar las fuerzas externas).

No se pueden comprimir, porque se deforman. Se dilatan por accin del calor. Se difunden muy lentamente a travs de otros slidos. Tienen densidades que dependen muy poco de la temperatura y la presin.

En general la densidad de un slido es mayor que la de un lquido, sin embargo hay excepciones, la ms notable es la del agua, El agua a 0C tiene una densidad de 1,0g/cm3 y a esta misma temperatura el hielo tiene una densidad de 0.92g/ cm3. Este hecho es importante en la naturaleza, El hielo que se forma en un lago flota y se convierte en un aislante para que el agua abajo permanezca a 4C, lo que permite sobrevivir a las especies marinas de sangre fra.

Presentan las propiedades de: Isomorfismo. Diferentes slidos se pueden cristalizar en la misma forma. Polimorfismo. Un slido puede cristalizarse en formas diferentes. Isotropa. Cuando las propiedades como conductividad trmica y elctrica e

ndice de refraccin, son las mismas en todas las direcciones, (como ocurre en los lquidos y los gases). Poseen isotropa los materiales amorfos (que no tienen forma definida), como el vidrio, el caucho, el plstico,

Anisotropa. Cuando no se transmiten igualmente en todos los sentidos cualquier accin efectuada en un punto de su masa

8.2. Slidos amorfos y cristalinos Se diferencian dos tipos de slidos: cristalinos y amorfos.

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Los slidos cristalinos, que adoptan formas geomtricas regulares limitadas por caras planas, tiene tomos, iones o molculas en posiciones fijas en el espacio, alrededor de las cuales, los nicos movimientos son vibracionales. Los slidos amorfos carecen de esta regularidad en gran extensin, por estar constituidos por macromolculas que encuentran dificultad para acomodarse en posiciones fijas, aunque rgidos y de elevada cohesin, no tienen sus partculas regularmente ordenadas como los cristales, no tienen temperatura de fusin definida y son istropos. Ejemplos de los primeros son: cloruro de sodio, diamante, hielo; de los segundos caucho, vidrio y cualquier plstico. Es habitual reservar la denominacin de slidos o cristales a los que hemos mencionado como slidos cristalinos y llamar lquidos de elevada viscosidad a los vidrios, resinas y plsticos que, aunque rgidos y de elevada cohesin, no tienen sus partculas regularmente ordenadas como los cristales, no tienen temperatura de fusin definida y son istropos. 8.2.1 Formas Cristalinas. Para estudiar las formas cristalinas se utilizan tres mtodos principalmente: por difraccin elctrica, de neutrones o de rayos X, estos estudios han demostrado que los tomos en un cristal forman un patrn tridimensional repetitivo o peridico, una unidad patrn de cada cristal se repite indefinidamente en las tres direcciones para generar la estructura cristalina, esta unidad se llama CELDA UNITARIA. A escala atmica existen catorce tipos de estructuras de las cuales se enumeran las SIETE principales. Cbico, tetragonal y Ortorrmbico, que poseen ngulos de 90 entre las caras y Monocclico, Triclnico, Rombohdrico y hexagonal , en la que ningn ngulo es de 90 entre sus caras.

CUBO TETRAGONAL HEXAGONAL

En el siguiente enlace observa las diferentes formas cristalinas. http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras%20cristalinas/los%207%20sistemas.html Algo ms sobre estado slido. http://www.utp.edu.co/~publio17/temas_pdf/estructura_sol.pdf

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Leccin 9. Estado lquido

Los lquidos estn compuestos por molculas en movimiento constante y desordenado, con un contenido medio de energa cintica, relacionado con su temperatura. Sin embargo, no todas sus molculas se mueven con la misma velocidad. Diferentes fuerzas de atraccin, relativamente grandes evitan que se muevan tan libremente y estn tan separadas como se encuentran en un gas. Por otra parte, las molculas de un lquido no estn tan juntas o estructuradas como lo estn en un slido.

En el caso de los lquidos las restricciones de la teora cintico molecular se hacen a los postulados 4 y 5

4. La atraccin es suficiente para mantener las partculas juntas, pero no fijas en las mismas posiciones.

5. La energa promedio es mucho menor que la de los gases pero mayor que la de los lquidos.

9.1 Propiedades de los lquidos 9.1.1 Cohesin. Fuerza de atraccin entre molculas iguales. Las fuerzas intermoleculares que unen molculas similares unas a otras, como los puentes de hidrgeno del agua, se llaman fuerzas de cohesin.

9.1.2 Adhesin. Fuerza de atraccin entre molculas diferentes. Las fuerzas intermoleculares que unen una sustancia a una superficie se llaman fuerzas de adhesin. 9.1.3 Vaporizacin. Es el paso al estado gaseoso. Sucede a temperaturas diversas. Existen dos formas en las que puede ocurrir dicho cambio para los lquidos2: Evaporacin: se produce vaporizacin en la superficie de un lquido (es un proceso de enfriamiento). Se favorece con la temperatura y las corrientes de aire.

Ebullicin: vaporizacin dentro del lqu

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