Fundamentos de la Química: Materia, Átomos, Enlaces y Reacciones

Fundamentos de la Ciencia Química

La **ciencia química** estudia la constitución, propiedades y transformaciones de la **materia**. La **materia** es todo lo que tenemos a nuestro alrededor.

Cambios Físicos y Químicos

• **Cambio físico**: Se alteran las propiedades, pero no cambia la sustancia (ej: cambio de estado).
• **Cambio químico**: Se transforma la naturaleza de las sustancias.

Mezclas Homogéneas y Heterogéneas

Las **mezclas** pueden ser **homogéneas** y **heterogéneas**.

• **Homogéneas**: No se distinguen sus componentes.
• **Heterogéneas**: Se distinguen sus componentes a simple vista.

Disoluciones

La **mezcla homogénea** o **disolución** se compone de:

• **Soluto**: Menor proporción.
• **Disolvente**: Mayor cantidad de componente.

Tipos de Disoluciones

1. Según el estado de agregación del soluto y disolución:

   DISOLUCIÓN	DISOLVENTE	SOLUTO
   Sólido	Sólido	Sólido, líquido, gas
   Líquido	Líquido	Sólido, líquido, gas
   Gas	Gas	Sólido, líquido, gas

2. Atiende a la cantidad de soluto que presenta la disolución:
   • **Disolución diluida**: Poca cantidad de soluto en disolvente.
   • **Disolución concentrada**: Mucho soluto en el disolvente.
   • **Disolución saturada**: El disolvente no admite más cantidad de soluto.

Modelos Atómicos

Modelo Atómico de Thomson

Los átomos son partículas complejas formadas por otras más simples. Un átomo formado por materia positiva que tenía embebidos electrones negativos (no tuvo éxito).

Modelo Atómico de Rutherford

Rutherford bombardeó partículas alfa contra una lámina muy fina de oro.

• Observó que muchas de ellas pasaban sin problema, que otras sufrían desviaciones y que pocas de ellas rebotaban.

Esto también se conoce como **modelo atómico nuclear** del átomo, porque se contemplan dos partes muy diferenciadas:

• El **núcleo**: Es muy pequeño y está formado por neutrones y protones donde se encuentra toda la materia positiva y masa del átomo.
• La **corteza**: Constituida por los electrones del átomo girando alrededor del núcleo a gran distancia. Tiene una masa muy pequeña.

El desarrollo de este modelo implicó el descubrimiento de los electrones, protones y neutrones, que son los que constituyen el átomo.

Consecuencias del Modelo

Este modelo establece las diferencias entre átomos. Aunque todos tienen la misma estructura, el mismo número de protones, neutrones y electrones. Por eso se definen los conceptos de **número atómico** y **número de masa**.

• **Número atómico (Z)**: Es el número de protones que contiene un átomo.
• **Número de masa (A)**: Es la suma de neutrones y protones.

Modelo de Bohr

Este modelo empezó a resultar no válido porque no lograba explicar algunos resultados experimentales como los espectros de algunos átomos. Además hubo aportaciones importantes de dos científicos, Heinsetberg y Schröc.

Este último anunció lo que se llamó **principio de incertidumbre de Heinsetberg**, según el cual, no se puede saber con exactitud el lugar exacto en el que se encuentra el electrón.

Todo esto conllevó a un nuevo modelo atómico que se conoce como el **modelo atómico de orbitales**.

Modelo Atómico de Orbitales

1. El electrón se comporta como una onda en su movimiento alrededor del núcleo.
2. No es posible predecir la trayectoria exacta del electrón, por eso hay que hablar de **orbitales atómicos**.
3. Un **orbital atómico** es una zona del átomo en la que es muy probable que se encuentre un electrón. En cada uno de ellos no puede haber más de dos electrones.
4. Hay varias clases de orbitales que se diferencian por su forma y orientación, en el espacio. Hay orbitales: s, p, d, f.

En cada nivel electrónico hay un número determinado de cada clase.

Orbitales: s-1; p-3; d-5; f-7.

Enlaces Químicos

¿Por qué se unen los átomos? Se unen por la **regla del octeto**. Los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta completar su capa de valencia con 8 electrones.

Enlace Iónico

• Es la unión de un metal y un no metal.
• Se unen para completar su capa de valencia.
• El metal cede electrones y se convierte en un **catión (+)**, el no metal recibe electrones y se convierte en un **anión (-)**.
• Una vez unidos se forma una **red cristalina**.

Propiedades de Compuestos Iónicos

• **Estructura cristalina**: Los iones se rodean ordenadamente, regidos por el campo eléctrico y el volumen de los iones. No admite otras posiciones, son duras y frágiles.
• **Solubilidad**: Son solubles en disolventes polares que tienen carga eléctrica de distinto signo a cada lado. Por ello, atraen a los iones y acaban arrancándolos formando disoluciones electrónicas que conducen la corriente eléctrica.
• **Electricidad y compuestos iónicos**: No son conductores en estado sólido (no hay electrones libres), pero sí cuando están fundidos o disueltos en H2O (electrones libres).
• **Estabilidad y temperaturas de cambio**: Se deben a la intensidad de las fuerzas de enlace, que hacen muy difícil separar los iones. Para convertirlos en gases, es necesario romper el enlace.

Enlace Covalente

Es la unión de dos no metales. Comparten electrones para tener ocho electrones en su capa de valencia. Suelen formar moléculas, pero también pueden formar cristales covalentes. Estos se representan en forma de estructura de Lewis.

Cuando los electrones forman pares, las moléculas son más estables.

Propiedades de los Compuestos Covalentes

• **Estado**: Los gases se forman por moléculas independientes con poca atracción (Cl, O). Los líquidos formados por moléculas grandes con mayor atracción (proteínas, gases). En los hidrocarburos podemos encontrar líquidos, sólidos y gases debido a las débiles fuerzas de atracción intermoleculares.
• **Otras propiedades**: No son conductores de la corriente eléctrica, son buenos aislantes, no son solubles en H2O pero sí en hidrocarburos y otros disolventes orgánicos. En casos no forman moléculas, forman cristales.

Enlace Metálico

Unión de átomos metálicos, se unen para formar ocho electrones en su capa de valencia.

Ceden electrones para completar su capa, cationes y forman cristales metálicos, también forman nube de electrones.

Propiedades de los Compuestos Metálicos

• **Brillo metálico**: Este se debe a que el gas electrónico refleja toda la luz que recibe sin alterarlo.
• **Ductibilidad y maleabilidad**: Al presionar un metal, cambio de posición, no se rompen sino que solo se deforman. Por eso, los metales son dúctiles y maleables.
• **Conductibilidades térmica y eléctrica**: Son buenos conductores eléctricos, por su libertad de electrones. Buenos conductores térmicos, formando cristales metálicos muy densos, con muy pocos huecos. Las vibraciones atómicas se transmiten de unos a otros con gran facilidad.
• **¿Qué son las aleaciones?**: Estas se forman porque algunos átomos de un cristal, pueden ser sustituidos por otros, y estos pasan a formar parte de la red cristalina en cualquier proporción (sin formarse compuestos metálicos).

Reacciones Químicas

• **Reacción química** es un cambio en el que un reactivo se transforma en un producto.
• Tipos (según la naturaleza del reactivo):
  • Desplazamiento: Zn + H2Cl → ZnCl + H2
  • Doble desplazamiento
  • Síntesis: Te queda un solo producto
  • Descomposición: De una compleja se pasa a otra más sencilla
  • Neutralización: Ácido + Base → Sal + H2O
  • Combustión: Elemento con O2 + H2O

Velocidad de Reacción

Es la rapidez de los reactivos para transformarse en el producto.

¿De qué depende?

• De la temperatura
• Concentración
• Grado de división
• Naturaleza de los reactivos
• Luz
• Catalizadores (sust. que se añaden a las RQ para acelerar la R)

Leyes Químicas

• **Ley de Lavoisier** o ley de conservación de la masa: La masa de los reactivos es igual a la masa de los productos. (reactivo 40g = producto 40g)
• **Ley de Proust** (constante): Cuando dos o más elementos se combinan para formar un mismo compuesto lo hacen en una proporción de masa constante.
• **Ley de Gay-Lusac** o ley de los volúmenes de combinación: Los volúmenes de todas las sustancias gaseosas que intervienen en un cambio químico están en una relación de números enteros sencillos.
• **Ley de Avogadro**: El volumen que ocupa un mol de cualquier gas es de 22.4L en condiciones normales.
• **Ecuación general de los gases**: P·V = n·R·T

Tipos de Reacciones Químicas

Reacciones Ácido-Base

Es lo mismo que la reacción de neutralización. Cambio químico en el que un ácido reacciona con una base dando sal y agua.

ÁCIDO: binarios (hidrácidos), ternarios (oxácidos)

SAL: binarias, ternarias (oxisales)

Ácido → sustancia que tiene propiedades: sabor agrio, enrojecen la tintura de tornasol y decoloran la disolución de fenolftaleína, reaccionan con metales formando sales y desprendiendo H2, reaccionan con carbonatos formando sal, CO2 y agua.

Sal → poseen sabor cáustico, azulean la tintura de tornasol y enrojecen la disolución de fenolftaleína.

Teoría de Arrhenius de Ácido y Base

Los ácidos y las bases son solubles en agua y conducen la corriente eléctrica, se separan en iones positivos y negativos.

Dificultad de la teoría: Esta presentaba una limitación, que era que el amoniaco (NH3) es una sustancia que tiene propiedades igual que las bases, sin embargo, no contiene OH en su molécula. Por lo tanto no podría ser explicado esto por la teoría de Arrhenius.

Teoría de Bröusted-Lawry

Define el ácido como toda aquella sustancia que libera iones H+ y la base toda aquella sustancia que acepta iones H+.

El agua es una sustancia anfótera, se comporta como ácido o como base, según con quien esté delante.

El PH

Es un número que indica si la sustancia es ácido o base. Del 0-6 → ácidos, el 7 → neutra, del 8-14 → bases.

Cuanto menor sea el pH, mayor es la concentración de protones.

Cuanto mayor es el pH, más ácido es.