UNIDAD 2

QUÍMICA

“LOS ELEMENTOS QUÍMICOS Y SU CLASIFICACIÓN”

TABLA PERIODICATabla Periódica:Representa los esfuerzos realizados por los químicos para organizar los elementos de manera lógica de acuerdo a sus propiedades (Dimitri Mendeleev es el precursor de la tabla periódica moderna).

La tabla periódica se clasifica en:1.- Períodos2.-Clases de Elementos 3.-Grupos de Familias4.-Bloques

1.- PeríodosEs cada fila de la tabla periódica, el número de cada periodo corresponde al nivel energético más externo

Por lo tanto elementos del primer período solo tienen electrones en el nivel energético 1, los del período 2 tienen electrones en los niveles 1 y 2

2.-Clases de Elementos:Se distinguen 3 clases en la tabla periódica:

a) ELEMENTOS REPRESENTATIVOS: formado por elementos de los grupos “A” (orbitales s y p).

b) ELEMENTOS DE TRANSICIÓN: Formado por elementos de los grupos “B” (orbitales d), excepto lantánidos y actínidos.

c) ELEMENTOS DE TRANSICIÓN INTERNA: Lantánidos y actínidos (orbítales f).

3.-Grupos de FamiliasLos elementos que se comportan de forman similar forman columnas en la tabla periódica y son conocidos como grupos de familias.

GRUPO FAMILIAI A Metales alcalinosII A Metales alcalinotérreosIII A Familia del boroIV A Familia del carbonoV A Familia del nitrógenoVI A Familia del OxigenoVII A HalógenosVIII A Gases nobles

4.-Bloques

Es un arreglo de los elementos de acuerdo con el último subnivel que se forma.

Bloque “s” Grupos IA Y IIA Bloque “p” Grupos IIIA al VIIIA Bloque “d” Elementos de transición Bloque “f” Elementos de transición Interna

¿Cómo se relaciona la estructura de la tabla periódica con la estructura atómica de los elementos?

Los periodos se asocian con el nivel energético de los electrones más externos de átomos correspondientes al periodo.

La configuración electrónica de valencia de los elementos de cada columna es la misma

El comportamiento químico y las propiedades de una familia de elementos deben por tanto asociarse con su configuración electrónica

¿Cuestiones sobre la configuración electrónica?

.Sería lógico pensar que el tercer nivel de energía se llenara con electrones 3d antes de que los electrones ocupen el orbital 4s, pero no es así.

.El comportamiento de los elementos que siguen potasio (19) y calcio (20) son muy similares a los del grupo IA y IIA lo cual indica que hay electrones de valencia en los orbítales “s”.

.Los elementos del 21 al 30 pertenecen a los de transición todos ocupan orbítales “d”, una vez llenos estos, los electrones comienzan a ocupar orbítales 4p para completar el cuarto período.

Para aclarar lo anterior veamos a continuación los bloques de orbítales:

En los elementos de transición se llenan los orbítales “d”, los orbítales son 1 nivel menor a los de los s y p (representativos)

En la columna inferior de la figura es ocupada por los elementos de transición interna los electrones de estos entran en orbítales “f”, que siempre es 2 unidades menor que los orbítales s y p (representativos).

+…..Debido a que los electrones de los orbítales d y f, siempre están un nivel energético mas bajo que el nivel mas alto, por ello no se les considera electrones externos.

CONCEPTOS TRACENDENTES

Compuesto: es una sustancia que contiene dos o más elementos combinados químicamente en proporciones de masa definida, a diferencia de los elementos , los compuestos pueden descomponerse por medios químicos en sustancias más simples.

Molécula: es la unidad individual más pequeña sin carga de un compuesto, formada por la unión de dos o más átomos; ejemplo: la molécula del agua.

Un Ion: es un átomo o grupo de átomos con carga positiva ó negativa, ión compuestos iónico se mantiene unido por las cargad positivas y negativas.

• Un ión con carga positiva ; recibe el nombre de catión• Un ión con carga negativa ; recibe el nombre de anión

La Electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas positivas y negativas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón ( e- ), que transporta una unidad de carga. De esta manera un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la reordenación de los e-s. Un átomo normal tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa, por lo tanto es eléctricamente neutro. La cantidad de carga eléctrica transportada por todos los e-s del átomo, que por convención son negativas, esta equilibrada por la carga positiva localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones quedará cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de electrones un cuerpo queda en móv. cargado positivamente, debido a que hay mas cargas eléctricas positivas en el núcleo.

Nota: En algunos materiales Principalmente los metales, proliferan los e-s libres, los cuales pueden moverse por el material, estos tienen la capacidad de transferir e-s de un objeto a otro y se llaman conductores.

Conductor; material por el cual se puede transferir carga fácilmente. Aislante; material que se resiste al flujo de carga (ejem; hielo seco,

base de vidrio, etc). Semiconductor; material intermedio para transferir carga (ejem; silicio, Arsenio, etc).

Metales, No metales y Metaloides

Los elementos se clasifican en metales, no metales y metaloides, los primeros los conocemos por su amplio uso como materia prima para herramientas, los segundos también tiene un gran uso en nuestra vida cotidiana para distintas labores (cloro, Oxigeno, Fluor entre otros.) y los últimos se usan con frecuencia en la industria electrónica (Boro, arsénico, entre otros).

Los metales * Son sólidos a temperatura ambiente (el Hg es la excepción)

* Tienen lustre* Son buenos conductores de calor y electricidad* Son maleables (se pueden laminar ó martillar para formar laminas)* Son dúctiles (se pueden estirar para formar alambres)* La mayoría tienen punto de fusión elevado y alta densidad* Algunos de los mas conocidos son Al, Cr, Au, Fe, Pb, Mg, Hg.* Menos conocidos pero también importantes Calcio, K, Na y U. * Tienen poca tendencia a combinarse entre si para formar compuestos* Muchos metales se combinan con no metales; como Cl, Na, O, S, para formar compuestos iónicos como Cloruros, Óxidos y Sulfuros Metálicos* Suelen mezclarse entre si para formar mezclas homogéneas sólidas (llamadas aleaciones)

No metales* No son lustrosos * Sus puntos de fusión y densidad son relativamente bajos * Malos conductores de calor y electricidad* Ejemplos, C, P, S, O, N, H* C, P, S, Se, y I, son sólidos, B es liquido y los demás son gases.* Se combinan entre si para formar compuestos moleculares como CO2 (Dióxido de carbono), CH4 (Metano), C4H10 (Butano)y SO2

(Dióxido de azufre), El F es el mas reactivo y se combina con mucha facilidad.

Metaloides* Tienen propiedades entre metal y no metal* Varios de ellos como (boro, Silicio, y germanio) son materias primas de dispositivos semiconductores en la industria electrónica.

PROPIEDADES ATOMICAS Y SU VARIACIÓN PERIODICA

Las distintas propiedades atómicas varían de una forma periódica alo largo de la tabla, en base a estas propiedades se puede conocer distintos aspectos y deducir tipos de enlace y la naturaleza de los compuesto formado por estos, entre ellas están La carga nuclear

efectiva, Radio atómico, Energía de ionizaciòn, Afinidad electrónica, Numero de oxidación, Electronegatividad.

Carga nuclear efectiva (Zef)

Es la carga real que mantiene unido a un e– al núcleo. Depende de dos factores contrapuestos:

1) Carga nuclear (Z). A mayor”Z” mayor”Zef”, pues habrá mayor atracción por parte del núcleo al haber más protones.2) Apantallamiento o efecto pantalla (σ) de e– interiores o repulsión electrónica. A mayor apantallamiento menor”Zef”.

Así consideraremos que: Zef = Z - σ

Variación de Zef en la tabla.

· Varía poco al aumentar Z en los e– de valencia de un mismo grupo, pues aunque hay una mayor carga nuclear también hay un mayor apantallamiento. Consideraremos que en la práctica cada e– de capa interior es capaz de contrarrestar el efecto de un protón.

Crece hacia la derecha en los elementos de un mismo periodo, debido al menor apantallamiento de los e– de la última capa y al mayor “Z”, de manera que según se avanza en un periodo hacia la derecha crece más “Z” que “a”, pues el apantallamiento de los e– de ultima capa es inferior a 1.

Z ef sobre el e– exterior del Li sería: 3 – 2 = 1, mientras que en el caso del Na sería: 11 – 10 = 1, es decir apenas varía.

Radio Atómico

Se define como: “la mitad de la distancia de dos átomos iguales que están enlazados entre sí”.

Otra definición más concreta: El radio atómico es la distancia media entre los electrones externos y el núcleo.

Fig. a) El radio atómico se define como la mitad de la distancia entre los centro de dos átomos adyacentes, b) Para elementos tales como el cloro que existen como moléculas diatómicas, el radio del átomo se define como la mitad de la distancia entre los centros de dos átomos en la molécula.

Hay que tener en cuenta un aspecto muy importante: “A mayor carga nuclear efectiva, los electrones estarán mas fuertes enlazados al núcleo y menor será el radio atómico”.

El radio atómico desminuye a lo largo de un periodo y aumenta al descender por un grupo de la tabla periódica. (aumenta hacia la izquierda en los periodos, y hacia abajo en los grupos.)

Radio Iónico

El radio Iónico es el radio de un anión ó un catión (Es el radio que tiene un átomo cuando ha perdido o ganado electrones).

El radio iónico afecta las propiedades físicas y químicas de un compuesto iónico y depende del tamaño relativo de sus aniones y cationes.

Cuando un átomo neutro se convierte en un ión, se espera, se espera un cambio en el tamaño; si el átomo se convierte en un anión (su tamaño aumenta), dado que la carga nuclear permanece constante pero la repulsión resultante de la adición del electrón(es) extiende la nube electrónica; un catión es mas pequeño que un átomo neutro, dado que al quitar uno o mas electrones se contrae la nube electrónica.

¿Como varia en la tabla periódica?Dentro de un grupo, los radios iónicos aumentan al aumentar el número atómico, dentro de un periodo, el radio iónico disminuye al aumentar el número atómico.

Ejercicio: Acomodar los siguientes elementos de acuerdo a su radio Iónico en orden descendente:

Berilio, Litio y Fluor

Energía de Ionización

También llamado potencial de ionización. “Es la energía necesaria para extraer el electrón más débilmente ligado al átomo para formar un catión”.

¿Como varia en la tabla periódica?La energía de ionización en los periodos aumenta hacia la derecha y en los grupos, aumenta hacia arriba.

Afinidad Electrónica

Es la cantidad de energía desprendida cuando un átomo gana un electrón adicional en estado gaseoso. Es la tendencia de los átomos a ganar electrones.

¿Como varia en la tabla periódica?La Afinidad Electrónica, en los periodos aumenta hacia la derecha y en los grupos, aumenta hacia arriba.

Aumento de la Afinidad electrónica

Carácter Metálico

La división entre metales y no metales es clara en la tabla. El carácter metálico se refiere a que tan marcadas son las propiedades metálicos o no metálicos con respecto a otros elementos.

¿Como varia en la tabla periódica?El carácter metálico aumenta en los periodos hacia la izquierda y en los grupos hacia abajo.

Aumento de Carácter Metálico

Electronegatividad

Es una medida de la atracción que ejerce un átomo de una molécula sobre los electrones del enlace. La electronegatividad mide la tendencia de un átomo a atraer los e– de otros átomos a los que está enlazado.

¿Como varia en la tabla periódica?En la tabla periódica la electronegatividad en los periodos aumenta hacia la derecha y en los grupos aumenta hacia arriba.

Aumento de la electronegatividad

Nota: Electronegatividad y Carácter metálico son conceptos opuestos (a mayor “electronegatividad” menor carácter metálico y viceversa).

El número de oxidación

* Es la carga eléctrica formal que se asigna a un átomo en un compuesto. * El número de oxidación supone que hay enlaces iónicos entre átomos unidos por enlace covalente. * Su variación en una reacción química indica la existencia de un proceso de oxidación-reducción. El número de oxidación se puede definir como el número de cargas que habría que asignar a cada uno de los átomos de los distintos elementos que forman un compuesto , si todos ellos pasaran al estado de iones . “La suma de los números de oxidación de todos los átomos que forman un compuesto es cero”.EL IMPACTO ECONOMICO O AMBIENTAL DE ALGUNOS

ELEMENTOS

El número de elementos que existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos obtenidos artificialmente.

Un elemento es una sustancia constituida por átomos con el mismo número atómico. Algunos elementos comunes son oxígeno, nitrógeno, hierro, cobre, oro, plata, hidrógeno, cloro y uranio.

Aproximadamente el 75% de los elementos son metales y los otros son no metales. La mayor parte de los elementos son sólidos a temperatura ambiente, dos de ellos (mercurio y bromo) son líquidos y el resto son gases. Pocos elementos se encuentran en la naturaleza en estado libre (no combinados), entre ellos el oxígeno, nitrógeno; los gases nobles (helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón); azufre, cobre plata y oro. Los más de los elementos se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos formando compuestos

ABUNDANCIA DE LOS ELEMENTOS EN LA NATURALEZA

La abundancia de los elementos; en las rocas de la Tierra, la Tierra en general, los meteoritos, el sistema solar, las galaxias o todo el universo, corresponde al promedio de las cantidades relativas de los elementos químicos presentes o, en otras palabras, ala composición química promedio.

La abundancia de los elementos está dada por el número de átomos de un elemento de referencia. El silicio comúnmente se toma como el elemento de referencia en el estudio de la composición de la Tierra y los meteoritos, y los datos están dados en átomos por 106 átomos de silicio. Los resultados de las determinaciones astronómicas de la composición del Sol y las estrellas con frecuencia se expresan en átomos por 1010 átomos de hidrógeno. Los análisis químicos ordinarios, entre ellos las técnicas avanzadas para estudios de trazas de elementos (tales como activación neutrónica o dilución isotópica), sirven para determinar la composición de rocas y meteoritos. La composición del Sol y las estrellas puede obtenerse de análisis espectroscópicos cuantitativos.

Los elementos más abundantes en la superficie de la Tierra son oxígeno, silicio, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio, etc. En el universo, el hidrógeno y el helio constituyen más del 95% de la materia total.

ABUNDANCIA DE LOS ELEMENTOS EN LA CORTEZA TERRESTRE

De todos los elementos que constituyen la Tierra, la humanidad sólo tiene acceso directo, por lo pronto, a los de la corteza (Figura I.17). Acerca de algunos de estos elementos, de sus compuestos y reacciones tratará la segunda sección de este libro.

Figura I.17. Abundancia de los elementos en la corteza terrestre

ELEMENTOS DE IMPORTANCIA ECONOMICA

Existen una gran cantidad de elementos de importancia económica con una enorme diversidad de aplicaciones; a continuación se presentan algunos de que revisten una importancia muy significativa. Au (oro)

El oro tiene aplicaciones en odontología y la mayor parte de su producción se emplea en la acuñación de monedas y en joyería.

Ag (Plata)

El uso de la plata en joyería, servicios de mesa y acuñación de monedas. La plata se usa para recubrir las superficies de vidrio de los espejos, también se utiliza con frecuencia en los sistemas de circuitos eléctricos y electrónicos.

Pb (Plomo)

El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza industrialmente en las redes de tuberías, tanques y aparatos de rayos X. Entre las numerosas aleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal tipográfico y diversos cojinetes metálicos. Una gran parte del plomo se emplea en forma de compuestos, sobre todo en pinturas y pigmentos.

Fe (hierro)

El óxido de hierro.- También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos.

El cloruro de hierro.- se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.

Al (aluminio)

Aluminio.- es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía.

ELEMENTOS CONTAMINANTES

¿Que es la contaminación?Es la introducción de cualquier sustancia o forma de energía con potencial para provocar daños, irreversibles o no, en el medio inicial.

NOTA: En esta sección tomaremos en cuenta que los elementos son parte de compuestos o sustancias que contaminan los grandes medios de la tierra como lo son el aire, suelo y agua, pero en este estudio nos enfocaremos de manera particular a los contaminantes del aire

¿Cuáles son los principales contaminantes del aire?

Monóxido de Carbono (CO): Es un gas inodoro e incoloro. Cuando se lo inhala, sus moléculas ingresan al torrente sanguíneo, donde inhiben la distribución del oxígeno. En bajas concentraciones produce mareos, jaqueca y fatiga, mientras que en concentraciones mayores puede ser fatal.

El monóxido de carbono se produce como consecuencia de la combustión incompleta de combustibles a base de carbono, tales como la gasolina, el petróleo y la leña, y de la de productos naturales y sintéticos, como por ejemplo el humo de cigarrillos. Se lo halla en altas concentraciones en lugares cerrados, como por ejemplo garajes y túneles con mal ventilados, e incluso en caminos de tránsito congestionado.

Dióxido de Carbono (CO2): Es el principal gas causante del efecto invernadero. Se origina a partir de la combustión de carbón, petróleo y gas natural. En estado líquido o sólido produce quemaduras, congelación de tejidos y ceguera. La inhalación es tóxica si se encuentra en altas

concentraciones, pudiendo causar incremento del ritmo respiratorio, desvanecimiento e incluso la muerte.

Clorofluorcarbonos (CFC): Son substancias químicas que se utilizan en gran cantidad en la industria, en sistemas de refrigeración y aire acondicionado y en la elaboración de bienes de consumo. Cuando son liberados a la atmósfera, ascienden hasta la estratosfera. Una vez allí, los CFC producen reacciones químicas que dan lugar a la reducción de la capa de ozono que protege la superficie de la Tierra de los rayos solares. La reducción de las emisiones de CFC y la suspensión de la producción de productos químicos que destruyen la capa de ozono constituyen pasos fundamentales para la preservación de la estratosfera.

Contaminantes atmosféricos peligrosos (HAP): Son compuestos químicos que afectan la salud y el medio ambiente. Las emanaciones masivas, pueden causar cáncer, malformaciones congénitas, trastornos del sistema nervioso y hasta la muerte

Las emisiones de HAP provienen de fuentes tales como fábricas de productos químicos, productos para limpieza en seco, imprentas y vehículos (automóviles, camiones, autobuses y aviones).

Plomo: Es un metal de alta toxicidad que ocasiona una diversidad de trastornos, especialmente en niños pequeños. Puede afectar el sistema nervioso y causar problemas digestivos. Ciertos productos químicos que contienen plomo son cancerígenos. El plomo también ocasiona daños a la fauna y flora silvestres.

El contenido de plomo de la gasolina se ha ido eliminando gradualmente, lo que ha reducido considerablemente la contaminación del aire. Sin embargo, la inhalación e ingestión de plomo puede tener lugar a partir de otras fuentes, tales como la pintura para paredes y automóviles, los procesos de fundición, la fabricación de baterías de plomo, los señuelos de pesca, ciertas partes de las balas, algunos artículos de cerámica, las persianas venecianas, las cañerías de agua y algunas tinturas para el cabello.

Ozono (O3): Este gas es una variedad de oxígeno, que, a diferencia de éste, contiene tres átomos de oxígeno en lugar de dos. El ozono de las capas superiores de la atmósfera, donde se forma de manera espontánea, constituye la llamada “capa de ozono”, la cual protege la tierra de la acción de los rayos ultravioletas. Sin embargo, a nivel del suelo, el ozono es un contaminante de alta toxicidad que afecta la salud, el medio ambiente, los cultivos y una amplia diversidad de materiales naturales y sintéticos. El ozono produce irritación del tracto respiratorio, dolor en el pecho, tos persistente, incapacidad de respirar profundamente y un aumento de la propensión a contraer infecciones pulmonares. A nivel de medio ambiente, es perjudicial para los árboles y reduce la visibilidad.

El ozono que se halla a nivel del suelo proviene de la descomposición (oxidación) de los compuestos orgánicos volátiles de los solventes, de las reacciones entre substancias químicas resultantes de la combustión del carbón, gasolina y otros combustibles y de las substancias componentes de las pinturas y spray para el cabello. La oxidación se produce rápidamente a alta temperatura ambiente. Los vehículos y la industria constituyen las principales fuentes del ozono a nivel del suelo.

Oxido de nitrógeno: Proviene de la combustión de la gasolina, el carbón y otros combustibles. Es uno de los principales causas del smog y la lluvia ácida. El primero se

produce por la reacción de los óxidos de nitrógeno con compuestos orgánicos volátiles. En altas concentraciones, el smog puede producir dificultades respiratorias en las personas asmáticas, accesos de tos en los niños y trastornos en general del sistema respiratorio. La lluvia ácida afecta la vegetación y altera la composición química del agua de los lagos y ríos, haciéndola potencialmente inhabitable para las bacterias, excepto para aquellas que tienen tolerancia a los ácidos. Dióxido de azufre (SO2): Es un gas inodoro cuando se halla en bajas concentraciones, pero en alta concentración despide un olor muy fuerte. Se produce por la combustión de carbón, especialmente en usinas térmicas. También proviene de ciertos procesos industriales, tales como la fabricación de papel y la fundición de metales. Al igual que los óxidos de nitrógeno, el dióxido de azufre es uno de los principales causantes del smog y la lluvia ácida. Está estrechamente relacionado con el ácido sulfúrico, que es un ácido fuerte. Puede causar daños en la vegetación y en los metales y ocasionar trastornos pulmonares permanentes y problemas respiratorios

Mercurio: Se encuentra nativo en la naturaleza en algunos casos, pero su mineral mas abundante es el cinabrio. Solo representa 0,5 ppm de la corteza terrestre.

Es el único metal que, a las temperaturas ordinarias, adopta el estado liquido.

No se oxida en el aire a temperaturas ordinarias, pero se combina lentamente con el oxigeno cuando se mantiene en la atmósfera cerca de su punto de ebullición. Por su inactividad general y su reducida presión de vapor, se emplean bombas de vacío, y en el laboratorio, para confinar gases.

A elevadas temperaturas, el vapor de mercurio conduce la corriente eléctrica.

El mercurio forma con muchos metales amalgamas, liquidas cuando la proporción del otro metal es pequeña, pero pastosas y hasta sólidas al aumentar dicha proporción. Las amalgamas de estaño, plata y oro se usan en odontología.

A pesar de sus beneficiosas aplicaciones médicas, el mercurio provoca unas intoxicaciones (como la estomatitis mercurial y el hidragirismo) que afectan diversos órganos, especialmente el riñón y los aparatos digestivo y nervioso.

Intoxicación mercurial aguda:

Síntomas: Cuando el tóxico se ha ingerido en forma concentrada produce: dolor urente ene la boca, garganta y estómago, salivación, dolores, cólicos, vómitos graves, náuseas, diarrea, pérdida copiosa de líquidos.

Intoxicación mercurial crónica:

Este envenenamiento puede ser consecuencia de la inhalación de vapores de mercurio o de polvo de sales mercuriales. El mercurio, puede absorberse a través de la piel intacta.

Los compuestos alquílicos de mercurio pueden causar perturbaciones mentales; excitación seguida de depresión, que puede ser grave y de larga duración.