¿Qué es un enlace químico?

Podríamos definirlo como la fuerza que mantiene unidos a los átomos en una molécula. Se puede expresar gráficamente de la siguiente manera:

¿Por qué existen las moléculas?


Las moléculas poliatómicas existen porque los átomos interactúan para formar agregados que tienen energía más baja que los "fragmentos separados"


Por ejemplo:
H+H---H2;  O+O---O2;  C+O2---CO2
 Libera E         Libera E        Libera E

Si se quieren entender las propiedades físicas y químicas de los elementos y de los compuestos, es necesario saber sobre el enlace químico.

Los átomos no existen aislados, sólo aquellos que tienen el nivel exterior completo (gases nobles). En general los átomos se asocian para conseguir 8 electrones en su nivel exterior (excepto el H).

El principio básico para entender el enlace es el conocimiento de las estructuras electrónicas de los átomos que se combinan.

La formación de un enlace implica la liberación de la llamada energía de enlace. La energía de enlace tiene igual valor, pero signo contrario, a la energía necesaria para romper ese mismo enlace.

Experimentalmente, se han podido determinar energías de enlace, longitudes de enlace y ángulos de enlace y se observan regularidades que ayudaron a construir las teorías sobre enlaces.

Variación de las propiedades de los elementos de la tabla periódica

A medida que desciende en un grupo, al pasar de un período a otro, se pasa de un número cuántico principal al siguiente.

Observando la línea quebrada que parte del boro y termina entre el polonio y el astato, vemos que a la derecha de la misma están los elementos no metálicos y a la izquierda los metálicos. Los elementos anfóteros o metaloides están a un lado y a otro de la diagonal.

Características periódicas de propiedades físicas

¿Cómo varía el radio atómico?

Numerosas propiedades físicas (densidad, punto de fusión y punto de ebullición) están relacionadas con el tamaño de los átomos, pero el tamaño atómico es difícil de definir. La densidad electrónica en el átomo se extiende más allá del núcleo. En la práctica, por lo general se piensa en tamaño atómico como el volumen que contiene un 90% de la totalidad de la densidad electrónica alrededor del núcleo.

El radio atómico de un metal es la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos adyacentes. Para elementos que existen como moléculas diatómicas simples, el radio atómico es la mitad de la distancia entre los núcleos de los dos átomos en una molécula específica.

Radios atómicos de elementos de acuerdo a su posición en la tabla periódica

La tabla periódica indica que el radio atómico disminuye de izquierda a derecha en un período y aumenta al descender en un grupo. La disminución de izquierda a derecha en un período es consecuencia del aumento de la atracción entre el núcleo y los electrones (n es el mismo y aumenta la carga nuclear, Z). Al descender en un grupo aumenta n, los electrones externos están cada vez más lejos del núcleo.

Radio iónico es el radio de un catión o de un anión. El radio iónico afecta las propiedades físicas y químicas de un compuesto iónico.
Energía de ionización o potencial de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón en estado fundamental de un átomo en estado gaseoso para transformarlo en un catión.

Me(g)---Me+ (g) + e-       EI

¿Cómo varía la energía de ionización?

Aumenta de izquierda a derecha en un período, ya que el radio atómico disminuye y se consume mas energía para arrancar el electrón que está mas atraído por el núcleo.

Disminuye al descender  en un grupo, ya que los electrones externos están cada vez más alejados del núcleo.

Afinidad electrónica es la energía puesta en juego cuando un átomo en estado fundamental y gaseoso se le agrega un electrón.

E(g) + e-   ----  E-(g)        AE

¿Cuándo decimos que un elemento es electronegativo?

El elemento con valores de energía de ionización y afinidad electrónica altos, es electronegativo.

La electronegatividad es una medida de tendencia que tienen los átomos de atraer los electrones de un enlace. Linus Pauling fue quien confeccionó una escala de electronegatividades para los elementos. Esta escala no tiene unidades y el maximo valor (4) corresponde al elemento más electronegativo.

La necesidad de ordenar los elementos: Tabla periódica

La tabla periódica se desarrolló de manera totalmente empírica y fue usada por los químicos antes de que se tuviera conocimiento acerca de la configuración electrónica. El siguiente es el desarrollo histórico de la tabla periódica:

• Durante los primeros años del siglo XIX, algunos elementos fueron descubiertos en un tiempo relativamente corto.
• En el año 1830 había cerca de 56 elementos conocidos. A medida que aumentaron la cantidad y variedad de datos se vio la necesidad de buscar una forma más simple para manejar estos números y tenerlos a mano.
• En 1869 Dimitri Mendeleiev en Rusia y Lohar Meyer en Alemania, trabajando independientemente el uno del otro, publicaron esquemas similares para clasificar los elementos. Estas tablas fueron las precursoras de la tabla periódica moderna. Mendeleiev distribuyó los elementos en el orden que aumentaban sus pesos atómicos y observó al hacerlo que ciertas propiedades físicas y químicas se repetían de manera periódica. Agrupó los elementos que tenían características similares en grupos verticales.

Número atómico y ley periódica

¿Cómo está ordenada actualmente la tabla periódica?

El enunciado actual de la Ley Periódica es: las propiedades de los elementos son una función periódica de sus números atómicos.

Tabla periódica y configuración electrónica

¿Qué relación existe entre la configuración y la organización de la tabla periódica?

Las propiedades físicas y químicas de los elementos se explican teniendo en cuenta su configuración electrónica. En la tabla periódica se resume gran parte del comportamiento químico de las sustancias puras elementales.

Corteza atómica: Estructura electrónica

Las propiedades de los elementos dependen, sobre todo, de cómo se distribuyen sus electrones en la corteza.

Aunque los conocimientos actuales sobre la estructura electrónica de los átomos son bastante complejos, las ideas básicas son las siguientes:

1. Existen 7 niveles de energía o capas donde pueden situarse los electrones, numerados del 1, el más interno, al 7, el más externo.

2. A su vez, cada nivel tiene sus electrones repartidos en distintos subniveles, que pueden ser de cuatro tipos: s, p, d, f.

3. En cada subnivel hay un número determinado de orbitales que pueden contener, como máximo, 2 electrones cada uno. Así, hay 1 orbital tipo s, 3 orbitales p, 5 orbitales d y 7 del tipo f. De esta forma el número máximo de electrones que admite cada subnivel es: 2 en el s; 6 en el p (2 electrones x 3 orbitales); 10 en el d (2 x 5); 14 en el f (2 x 7).

La distribución de orbitales y número de electrones posibles en los 4 primeros niveles se resume en la siguiente tabla:

Niveles de energía	1	2	3	4
Subniveles	s	s p	s p d	s p d f
Número de orbitales de cada tipo	1	1 3	1 3 5	1 3 5 7
Denominación de los orbitales	1s	2s 2p	3s 3p 3d	4s 4p 4d 4f
Número máximo de electrones en los orbitales	2	2 - 6	2 - 6 - 10	2- 6- 10- 14
Número máximo de electrones por nivel	2	8	18	32

La configuración electrónica en la corteza de un átomo es la distribución de sus electrones en los distintos niveles y orbitales. Los electrones se van situando en los diferentes niveles y subniveles por orden de energía creciente hasta completarlos. Es importante saber cuantos electrones existen en el nivel más externo de un átomo pues son los que intervienen en los enlaces con otros átomos para formar compuestos.

Isótopos

La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.

Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.

Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.

Estructura del átomo

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.
El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.
Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.
Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

¿Cómo identificamos los átomos?
Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26 protones en su núcleo, ..., y esto permite clasificarlos en la tabla periódica por orden creciente de este número de protones.

Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: _ZX.

Ejemplos: ₁H, ₈O, ₂₆Fe.

Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ^AX.

De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:

³₁H -----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2 neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.

Si tenemos un ion habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese neutro.

- Si es un catión habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la carga positiva:

²⁵₁₂Mg⁺² -----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 - 12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.

- Si es un anión habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga negativa:

¹⁹₉F^-1 -----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones, 19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.

Resolver los siguientes problemas

Calorimetría: se denomina calorimetría a la medición y el cálculo de las cantidades de calor que intercambia un sistema.

Intuitivamente se sabe que cuanto mayor sea la cantidad de calor suministrada, el cuerpo alcanzará una mayor variación de la temperatura. Es posible verificar experimentalmente que entre el calor y la temperatura existe una relación de proporcionalidad directa. La constante de proporcionalidad depende tanto de la sustancia que constituye el cuerpo como de su masa, y resulta el producto del calor específico por la masa del cuerpo.

Por lo tanto la ecuación que permite calcular intercambios de calor es: 

Por convención, se adopta el signo positivo para Q cuando la variación de temperatura es mayor que cero, es decir cuando el cuerpo aumenta su temperatura. En caso contrario, cuando la variación de temperatura es menor que cero, el cuerpo disminuye su temperatura y el signo de Q será negativo.

1) ¿Qué cantidad de calor absorbió una masa de 4 g de cinc (Ce = 0,093 cal/g.°C) al pasar de 20 °C a 180 °C?
2) Una masa de plomo (Ce = 0,03 cal/g.°C) de 350 g absorbió 1750 cal. Calcular la variación de temperatura que sufrió.
3) Calcular la cantidad de calor absorbida por 200 g de plomo al ser calentado desde 30 °C hasta 420 °C
4) ¿Cuál será el aumento de temperatura de una barra de 3 kg de hierro si se coloca en un horno industrial que le suministra 20 kcal? calor específico del hierro: 0,113 cal/g.ºC
5) Calcular la cantidad de calor necesaria en Kcal y J que deben ceder 2000 g de agua que se encuentra en su punto de ebullición para disminuir su temperatura hasta 20 ºC
6) ¿Qué cantidad de calor es necesaria entregar a un cuerpo de plomo (Ce= 0,03 cal/g.ºC) de 20 g, para que su temperatura aumente 8 ºC?
7) ¿Qué cantidad de calor es necesaria entregar en cal y J a un cuerpo de aluminio (Ce= 0,212 cal/g.ºC) de 1200 g, para que su temperatura aumente 30 ºC? 
8) Calcular el calor específico de una sustancia que constituye un cuerpo de 20 g de masa, sabiendo que para elevar su temperatura 6 ºC se necesitan 96 cal.
9) Se colocan 500 g de agua líquida a 10 ºC en un calorímetro ideal (se desprecia el intercambio de calor del calorímetro) y se la mezcla con 1000 g de agua a 70 ºC. Calcular la temperatura de equilibrio de esta mezcla.

Calorímetro

10) Completar: 
- 1 g de agua a 20 ºC + 1 cal = 1 g de agua a ........
- 1 g de aluminio a 20 ºC + 1 cal = 1 g de aluminio a ........
- 1 g de hierro a 20 ºC + 1 cal= 1 g de hierro a ........
- 1 g de plata a 20 ºC + 1 cal= 1 g de plata a ........