Proto química 2

Conceptos Básicos de Química

Materia y Masa

La experiencia cotidiana te muestra que al intentar levantar un bloque de concreto se requiere una mayor fuerza para elevar un bloque de mayor tamaño en comparación con uno de menor tamaño. Esta diferencia en la fuerza se debe a que debemos emplear más fuerza para levantar más material en comparación con el bloque de concreto que posee menos material.

A este material, en lugar de referirnos a él como tal, lo llamaremos materia, y esta materia es la que causa que los objetos tengan peso; a mayor cantidad de materia, mayor será el peso. Con esto, definimos como masa a la medida de la cantidad de materia.

Hay que aclarar que la masa es una propiedad intrínseca de la materia, que no depende de la fuerza gravitacional.

Átomo

Un átomo es la unidad fundamental de la materia que constituye todos los elementos químicos y compuestos. Un átomo está formado por partículas llamadas "partículas subatómicas".

Imagen 1.1

Se ha observado que las partículas subatómicas pueden interactuar de diferentes maneras por causa de la fuerza electromagnética que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Entre estas interacciones, se pueden observar atracciones y repulsiones.

• Si una partícula A se atrae con una partícula B, entonces una partícula C que se repele con la partícula A también se atrae con la partícula B.

Imagen 1.2


• Además, si una partícula D se repele con la partícula B, entonces se atrae con la partícula A.

Imagen 1.3

Estas observaciones muestran que las partículas A y C tienen una característica en común en sus interacciones, mientras que las partículas B y D muestran una característica opuesta en cuanto a sus interacciones con las del primer grupo. Por lo tanto, para diferenciarlas, se asigna un signo positivo a un grupo y un signo negativo al otro. A esta característica fundamental se le llama carga. Así, a las partículas A y C se les asigna carga positiva, y a las partículas B y D se les asigna carga negativa. Las partículas subatómicas con carga positiva se definen como protones y las que tienen carga negativa se definen como electrones.

Además, hay una partícula subatómica que no se repele ni se atrae con los protones ni con los electrones. Estas partículas se llaman neutrones y como no se repelen ni se atraen con los electrones ni los protones (electromagnéticamente hablando), se dice que no tienen carga. Aunque los neutrones no tienen carga, contribuyen a la estabilidad del núcleo atómico al interactuar con los protones mediante la fuerza nuclear fuerte. Estos neutrones tienen una masa similiar a la de los protones.

Respecto a su disposición dentro del átomo:

• Los protones se encuentran en el núcleo del átomo, que es la región central del átomo.
• Los neutrones también están ubicados en el núcleo junto con los protones.
• Los electrones se encuentran alrededor del núcleo en regiones llamadas orbitales, los cuales a su vez se encuentran contenidos en capas. (Ver Imagen 1.1)

Esta disposición es fundamental para la estructura del átomo y determina muchas de sus propiedades químicas y físicas.

A cada capa electrónica en un átomo se asigna un número llamado número cuántico principal, el cual es un número entero a partir de uno. El número cuántico principal se denota como \( n \). La capa a la que se le asigna el número \( n=1 \) es la más cercana al núcleo. A medida que el valor de \( n \) aumenta, las capas se ubican progresivamente más alejadas del núcleo. Por lo tanto, \( n=2 \) representa la segunda capa más cercana al núcleo, \( n=3 \) la tercera, y así sucesivamente. En la práctica, el valor máximo de \( n \) encontrado en los elementos conocidos es 7.

Imagen 1.4

Cada capa electrónica se divide en subniveles o subcapas, denotados por las letras s, p, d y f. El subnivel s está más cerca del núcleo que el subnivel p. A su vez, el subnivel p está más cerca del núcleo que el subnivel d, y el subnivel d está más cerca del núcleo que el subnivel f. Por lo tanto, dentro de una misma capa, la disposición de los subniveles en términos de proximidad al núcleo es: \( s < p < d < f \).

En las representaciones simples de un átomo no se toma en cuenta ni los subniveles ni los orbitales, por lo que cada circunferencia solo representa las capas o niveles de energias, de modo que en cada circunferencia se representan los electrones que están en los subniveles y en los orbitales.

Cada subnivel contiene un número determinado de orbitales que son las regiones específicas en cada subnivel con altas probabilidades de encontrar un electrón. Cada orbital puede albergar un máximo de dos electrones. El subnivel s tiene un orbital, el subnivel p tiene tres orbitales, el subnivel d tiene cinco orbitales, y el subnivel f tiene siete orbitales.

Elementos químicos y protones

La cantidad de protones que tiene un átomo determina el tipo de elemento al cual este átomo pertenece, y esta cantidad de protones en el núcleo es constante para un elemento dado. Por ejemplo, el átomo de carbono siempre tendrá seis protones en su núcleo. Si este átomo gana o pierde un protón, entonces cambiará de tipo de elemento.

• Si un átomo de carbono pierde un protón, el número de protones se reduce a cinco, convirtiéndose en un átomo de boro (B).
• Si un átomo de carbono gana un protón, el número de protones aumenta a siete, convirtiéndose en un átomo de nitrógeno (N).

Sin embargo, un átomo puede ganar o perder neutrones sin cambiar el tipo de elemento al que pertenece. Esta variación en el número de neutrones da lugar a diferentes versiones del mismo elemento, conocidas como isótopos. Los isótopos son variantes del mismo elemento químico que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones en su núcleo.

Teóricamente, podemos tener tantos isótopos de un elemento como cantidad de neutrones tenga su núcleo. Sin embargo, en la naturaleza, solamente existe un determinado número de isótopos de cada elemento. Las razones de esto incluyen:

• Estabilidad Nuclear
• Fuerza Nuclear
• Energía de Enlace Nuclear

Número Atómico

Está determinado por la cantidad de protones que posee el núcleo del átomo.

• Hidrógeno (H): Número atómico 1. Esto significa que el hidrógeno tiene 1 protón.
• Carbono (C): Número atómico 6. El carbono tiene 6 protones.
• Oxígeno (O): Número atómico 8. El oxígeno tiene 8 protones.

Átomos en Estado Neutro

Se dice que un átomo está en estado neutro si tiene la misma cantidad de protones como de electrones. Sin embargo, el estado neutro no se refiere al número de neutrones, sino a la igualdad entre protones y electrones.

A los protones y neutrones se les llama también nucleones.

Número Másico o Número de Masa

Es el total de nucleones de un átomo, es decir, la suma del número de protones y el número de neutrones en el núcleo.

Número másico = Número de protones + número de neutrones

Ejemplos:

• Protio (¹H o 1H): Protones: 1, Neutrones: 0, Número másico (A) = 1 + 0 = 1
• Deuterio (²H o D): Protones: 1, Neutrones: 1, Número másico (A) = 1 + 1 = 2
• Tritio (³H o T): Protones: 1, Neutrones: 2, Número másico (A) = 1 + 2 = 3

Masa Atómica

La masa atómica de un elemento es el promedio ponderado de las masas de todos sus isótopos naturales, teniendo en cuenta sus abundancias relativas. Se expresa en unidades de masa atómica (uma) o daltons (Da).

Para calcular la masa atómica de un elemento, utilizamos la siguiente fórmula:

\(\text{Masa Atómica} = \sum (\text{Masa del Isótopo} \times \text{Fracción Abundante})\)

Donde la fracción abundante se expresa como una proporción entre 0 y 1.

Definición Formal de Uma:

• Unidad de Masa Atómica (Uma): 1 uma se define como 1/12 de la masa de un átomo de carbono-12.
• En términos numéricos, 1 uma es aproximadamente igual a 1.66053906660 × 10⁻²⁷ kg.

Ejemplo de Cálculo de la Masa Atómica del Hidrógeno:

Dado que el hidrógeno tiene tres isótopos comunes: protio (¹H), deuterio (²H) y tritio (³H), calcularemos la masa atómica del hidrógeno si se nos da la siguiente información de abundancias y masas isotópicas:

• Protio (¹H): Masa aproximada: 1.007825 uma, Abundancia aproximada: 99.98% o 0.9998
• Deuterio (²H): Masa aproximada: 2.014102 uma, Abundancia aproximada: 0.02% o 0.0002
• Tritio (³H): Masa aproximada: 3.016049 uma, Abundancia aproximada: Muy baja (en la naturaleza, tritio es radiactivo y se encuentra en cantidades muy pequeñas. Para este ejemplo, su abundancia puede considerarse prácticamente cero en la naturaleza)

Usamos la fórmula para calcular la masa atómica:

\(\text{Masa Atómica} = (\text{Masa 1H} \times \text{% 1H}) + (\text{Masa D} \times \text{% D}) + (\text{Masa T} \times \text{% T})\)

\(\text{Masa Atómica} = (1.007825 \times 0.9998) + (2.014102 \times 0.0002) + (3.016049 \times 0)\)

\(\text{Masa Atómica} \approx 1.007825 + 0.000403\)

\(\text{Masa Atómica} \approx 1.008228 \text{ uma}\)

Elementos químicos y prontones

La cantidad de protones que tiene un átomo determina el tipo de elemento al cual este átomo pertenece, y esta cantidad de protones en el núcleo es constante para un elemento dado. Por ejemplo, el átomo de carbono siempre tendrá seis protones en su núcleo. Si este átomo gana o pierde un protón, entonces cambiará de tipo de elemento.

• Si un átomo de carbono pierde un protón, el número de protones se reduce a cinco, convirtiéndose en un átomo de boro (B).
• Si un átomo de carbono gana un protón, el número de protones aumenta a siete, convirtiéndose en un átomo de nitrógeno (N).

Sin embargo, un átomo puede ganar o perder neutrones sin cambiar el tipo de elemento al que pertenece. Esta variación en el número de neutrones da lugar a diferentes versiones del mismo elemento, conocidas como isótopos. Los isótopos son variantes del mismo elemento químico que tienen el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones en su núcleo.

Teóricamente, podemos tener tantos isótopos de un elemento como cantidad de neutrones tenga su núcleo. Sin embargo, en la naturaleza, solamente existe un determinado número de isótopos de cada elemento. Las razones de esto incluyen:

• Estabilidad Nuclear
• Fuerza Nuclear
• Energía de Enlace Nuclear