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UNIDAD 1: Conceptos elementales El tomo y sus componentes

El tomo es la parte ms pequea en la que se puede obtener materia de forma estable, ya que las partculas subatmicas que lo componen no pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales.

El primero en utilizar este trmino fue Demcrito, porque crea que todos los elementos deberan estar formados por pequeas partculas que fueran INDIVISIBLES. tomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Hoy da sabemos, que los tomos no son, como crea Demcrito, indivisibles. De hecho estn formados por partculas, llamadas subatmicas, que son:

9 PROTN: partcula elemental con carga elctrica positiva iqual a 1, su masa es una uma (unidad de masa atmica) y es 1837 veces mayor que la del electrn, se simboliza p+.

9 ELECTRN: partcula elemental con carga elctrica negativa iqual a 1, masa despreciable y se simboliza e-.

9 NEUTRN: partcula elemental elctricamente neutra, con una masa ligeramente superior a la del protn, se simboliza n0.

Los protones y neutrones se ubican en el ncleo atmico, mientras que los

electrones lo hacen en la corteza que lo rodea. En condiciones normales un tomo tiene el mismo nmero de protones que electrones, lo que convierte a los tomos en entidades elctricamente neutras. El nmero de protones en el ncleo atmico, denominado nmero atmico (Z) es el que determina las propiedades qumicas del tomo en cuestin.

Z = p+

Si bien la masa del neutrn es ligeramente superior a la del protn, el nmero de neutrones en el ncleo no determina las propiedades qumicas del tomo, pero s su estabilidad frente a posibles procesos nucleares (fisin, fusin o emisin de radiactividad).

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La suma de los protones y neutrones del ncleo, constituye el nmero msico (A), y representa el peso de ese tomo, ya que la masa de los electrones es despreciable frente a la de protones y neutrones.

A = p+ + n0 Smbolo Atmico: Es el conjunto de una, dos o tres letras que se usa para representar un tomo en una frmula qumica. Cuando el tomo se representa mediante una sola letra, sta debe escribirse siempre en mayscula. Si el smbolo est compuesto por ms de dos letras, la primera de ellas debe ir siempre en mayscula, mientras que la segunda de ellas debe escribirse siempre en minscula. Ejemplos:

Elemento Smbolo Hierro Fe

Carbono C

Para describir adecuadamente un elemento qumico se acompaa su smbolo atmico con subndices y superndices que dan informacin sobre su nmero atmico y nmero msico. As, el nmero msico A de un tomo de smbolo E se indica por un superndice a la izquierda (mE) y el nmero atmico Z se indica por un subndice a la izquierda (zE). Ejemplo: el tomo de azufre, cuyo smbolo es S, tiene un nmero msico igual a 32 y un nmero atmico igual a 16, entonces su puede escribir:

N msico

S N atmico

Ejercitacin

Te propongo que hagas una bsqueda de informacin sobre la historia del tomo y las diferentes teoras sobre su estructura, as como sobre el descubrimiento de cada partcula. Pods consultar en los libros de la escuela, en tu casa o en internet, e incluso pedir ayuda a tu profe del colegio).

16

32

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Elementos, compuestos, molculas, iones y mezclas Los elementos qumicos son sustancias fundamentales constituidas por

tomos que tienen el mismo nmero atmico, es decir, el mismo nmero de protones en sus ncleos. No pueden descomponerse en otras ms pequeas utilizando los mtodos qumicos habituales y estn representados por los tomos que componen la materia. El nmero de tomos que forman un elemento es variable, y esto permite clasificarlos fcilmente en:

9 Elementos monoatmicos: son los constituidos por un solo tomo, tal como ocurre en los gases nobles. Ejemplo: el helio (He).

9 Elementos diatmicos: son los formados por dos tomos. En este grupo se encuentran los halgenos y otros elementos no metlicos tales como el hidrgeno, nitrgeno u oxgeno. Ejemplo: la molcula de cloro (Cl2).

9 Elementos poliatmicos: son los constituidos por ms de dos tomos. Se incluyen aqu, aquellos elementos formados por agrupaciones con un nmero definido de tomos (molculas) como aquellos formados por redes indefinidas. Ejemplos: el azufre, puede representarse como una molcula constituida por 8 tomos (S8). El carbono forma redes de tomos de carbono indefinidas (son distintas las redes del grafito, del diamante y del fulereno)

Para representar un elemento formado por molculas con un nmero n definido de tomos, se escribe el smbolo atmico E con el subndice n a su derecha (En). En el caso particular de los elementos monoatmicos (n = 1), por simplicidad, se omite el subndice.

Los elementos como los gases nobles (helio, nen, argn, kriptn, xenn y radn), que tienen una estructura monoatmica, se representan por su smbolo, mientras que el oxgeno, hidrgeno, nitrgeno, flor, cloro, bromo y yodo, con una estructura diatmica, se representan por el smbolo del elemento al que se aade el subndice 2. En el caso de molculas poliatmicas se utiliza el subndice que corresponda. Ejemplos:

9 Monoatmicos: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. 9 Diatmicos: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2. 9 Poliatmicos: P4, S6, S8.

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Para nombrar cualquier elemento de frmula molecular definida (elementos monoatmicos, biatmicos, etc.) se aade, al nombre del tomo, el prefijo numrico que indica el nmero de tomos de la molcula. Los prefijos son:

1 - mono 2 - di 3 - tri

4 tetra 5 - penta 6 - hexa 7 - hepta 8 - octa 9 - nona 10 - deca

11 - undeca 12 - dodeca

El prefijo mono- slo se utiliza cuando el elemento no existe normalmente

en estado monoatmico. En el caso de los elementos diatmicos ms comunes frecuentemente tambin se omite el prefijo di-. Ejemplos:

Smbolo Nomenclatura I.U.P.A.C

Nomenclatura tradicional

N Mono nitrgeno Nitrgeno atmico N2 Nitrgeno Nitrgeno molecular Ne Nen Nen I2 Diyodo Yodo S Azufre Azufre S8 Octa azufre Azufre

Compuestos y mezclas

Los compuestos son sustancias formadas por la unin de dos o ms elementos en una proporcin que no puede variar (para cada compuesto, dado que de hacerlo dejara de ser ese compuesto). Los compuestos pueden descomponerse en sus elementos constituyentes. Son compuestos por ejemplo: el agua (formada por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno, por lo tanto su escritura en smbolos ser: H2O), el hipoclorito de sodio (conocido comnmente como lavandina y cuya escritura en smbolos ser: NaClO), la glucosa (componente del azcar comn) tendr la siguiente escritura en

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smbolos: C6H12O6, etc. Las mezclas se forman a partir de la combinacin de dos o ms compuestos en proporciones que ahora s pueden variar infinitamente, en donde los compuestos conservan sus propiedades especficas, y adems pueden ser separados por procedimientos fsicos. A su vez las mezclas se pueden clasificar como homogneas o heterogneas. Las mezclas homogneas son aquellas en las que los compuestos que la forman se han mezclado uniformemente, es decir que a la vista, presentan una sola fase. Realizamos una mezcla homognea cada vez que endulzamos el t, dado que slo vemos la fase lquida, pero sabemos que le hemos agregado azcar, un compuesto que era slido y que se disolvi. Los jugos que tomamos son mezclas homogneas de varios compuestos, los jarabes para la tos e incluso el aire que respiramos, ya que es una mezcla de varios gases. Las mezclas heterogneas son aquellas en las que la distribucin de los compuestos constituyentes de la misma no es uniforme y cada componente puede identificarse visualmente. Es un ejemplo de mezcla heterognea la mezcla del agua con el aceite, en donde claramente pueden identificarse las dos compuestos: el agua por un lado y el aceite por el otro. Molcula

Es la menor partcula de un elemento o compuesto que tiene existencia estable y posee todas las propiedades qumicas de dicho elemento o compuesto. Un tomo de nitrgeno no puede existir libre en condiciones normales, por lo tanto se unen dos de ellos para formar una molcula diatmica N2. Otros elementos forman tambin molculas diatmicas; algunos de ellos son: fluor (F2), hidrgeno (H2), cloro (Cl2), oxgeno (O2), bromo (Br2), yodo (I2). Existen otros elementos que forman molculas con ms tomos, es as como el fsforo forma una molcula tetraatmica (P4) y el azufre, una molcula octoatmica (S8). Hay elementos que no forman molculas poliatmicas, sino existen libremente en forma atmica; se puede considerar que forman una molcula monoatmica. Ejemplos son los metales: cobre (Cu), hierro (Fe), oro (Au), plata (Ag), etc. Se debe tener en cuenta que las molculas de elementos estn formadas por tomos de dicho elemento. A diferencia de las molculas de los compuestos que estn formadas, como mnimo, por dos tomos de elementos diferentes. Es as como la molcula del monxido de carbono (CO) est formada por un tomo de carbono y un tomo de oxgeno, la del agua (H2O) est formada por dos tomos de hidrgeno y uno de oxgeno; la del cido ntrico (HNO3) formada por un tomo de hidrgeno, uno de nitrgeno y tres tomos de oxgeno, se puede decir que es una molcula poliatmica.

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Cuando los elementos forman molculas, lo hacen aceptando, perdiendo o compartiendo electrones. Para entender esto debemos saber primero que son la valencia y el nmero o estado de oxidacin. Valencia

Indica la cantidad de electrones que puede usar un elemento para combinarse con otro, sin indicar si cede o acepta esos electrones. Nmero de oxidacin

El estado de oxidacin o nmero de oxidacin se define como la suma de cargas positivas y negativas de un tomo, lo cual indirectamente indica el nmero de electrones que el tomo ha aceptado o cedido. Los protones de un tomo tienen carga positiva, y esta carga se ve compensada por la carga negativa de los electrones; si el nmero de protones y de electrones es el mismo el tomo es elctricamente neutro.

Los nmeros de oxidacin se asignan a los diferentes elementos cuando se hallan formando un compuesto. El nmero de oxidacin de un elemento sin combinar es cero.

El nmero de oxidacin es la valencia pero con signo.

Por qu los signos? stos le confieren al elemento la capacidad de aceptar o ceder electrones, es decir que si un elemento tiene un n de oxidacin positivo quiere decir que cedi uno o ms electrones a otro tomo y entonces el tomo qued con carga positiva (ya que los protones no se pueden perder). Si el elemento tiene un n de oxidacin negativo, esto quiere decir que el mismo gan electrones por parte de otro tomo. Los nmeros de oxidacin de cada elemento son fijos, es decir cada elemento tendr siempre la misma capacidad de tomar o ceder electrones. Por ejemplo: El Fe (hierro) tiene 3 nmeros de oxidacin: 0, +2 y +3.

9 0 indica que el elemento se encuentra con todos sus electrones, 9 +2 indica que el tomo de Fe perdi 2 electrones y, 9 +3 indica que ha perdido 3 electrones.

El tomo Fe tendr siempre estos nmeros de oxidacin y no otros. El tomo

de Cl (cloro) tiene los siguientes nmeros de oxidacin: -1, +1, +3, +5 y +7. Es decir que el tomo de Cl puede ceder como tomar electrones dependiendo de las circunstancias, es decir que depender de con quin est reaccionando y en

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que medio este reaccionando. As cada elemento tiene sus nmeros de oxidacin y estos estn ntimamente relacionados con la forma que tiene ese elemento de reaccionar con otros elementos o compuestos.

Los estados de oxidacin se denotan en los nombres qumicos mediante nmeros romanos entre parntesis despus del elemento de inters. Por ejemplo, un in de hierro con un estado de oxidacin +3, Fe3+, se escribira de la siguiente forma: hierro (III) o Fe (III). El xido de hierro, con el hierro presentando un estado de oxidacin de +3, Fe2O3, se nombra como xido de hierro (III); de esta forma se puede diferenciar del otro xido del hierro que es el xido de hierro (II), FeO. En estos casos no es necesario indicar si la carga del in es positiva o negativa.

En la frmula qumica, el estado de oxidacin de los iones se indica mediante un superndice despus del smbolo del elemento, como ya se ha visto en Fe3+, o por ejemplo, en el oxgeno (II), O2-. No se indica el estado de oxidacin en el caso de que sea neutro.

La frmula siguiente muestra a la molcula de yodo, I2, aceptando dos electrones, de forma que pasa a presentar un estado de oxidacin de -1:

I2 + 2 e- 2 I-

En la tabla peridica se muestran los nmeros de oxidacin que se asignan a los elementos. Cuando se analiza con detenimiento se advierte la existencia de ciertas relaciones entre el ndice de oxidacin de un elemento y su posicin en el sistema peridico de modo que es posible deducir las siguientes reglas bsicas:

9 Los elementos metlicos tienen nmeros de oxidacin positivos. 9 Los elementos no metlicos pueden tener nmeros de oxidacin tanto positivos como negativos. 9 El nmero de oxidacin positivo de un elemento alcanza como mximo el valor del grupo (columna) al que pertenece dentro del sistema peridico. En el caso de que tome otros valores, stos sern ms pequeos, soliendo ser pares o impares segn el grupo en cuestin sea par o impar. 9 El nmero de oxidacin negativo de un elemento viene dado por la diferencia entre ocho y el nmero del grupo al que pertenece dentro del sistema peridico.

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Al igual que con los smbolos, los nmeros de oxidacin deben memorizarse, puesto que ambos constituyen los elementos bsicos de toda la formulacin qumica. Es conveniente hacerlo por grupos de elementos con igual ndice de oxidacin, ya que cuando elementos diferentes actan con idnticos ndices de oxidacin, dan lugar a frmulas totalmente anlogas. Iones

Los iones son partculas, monoatmicas o poliatmicas, con carga neta positiva o negativa, que se forman cuando un tomo gana o cede electrones, respectivamente. Si el tomo cede un electrn las cargas positivas de los protones no son compensadas, pues hay insuficientes electrones. De esta forma se obtiene un in con carga positiva llamado catin, que se representa con el smbolo del elemento ms la carga correspondiente al nmero de electrones que perdi. Para un elemento A, el in que resulta de perder un electrn se representar A+, y se dice que es un in monopositivo; su nmero de oxidacin es de +1, pues perdi un solo electrn, quedando con una carga positiva remanente. En cambio, si el tomo acepta un electrn, los protones no compensan la carga de los electrones, obtenindose un in mononegativo, llamado anin, que representaremos A-, pues gan un solo electrn, quedando entonces una carga negativa remanente.

El tomo puede ceder un mayor nmero de electrones obtenindose iones dipositivos, tripositivos, etc. Y de la misma forma, puede aceptarlos, dando iones de distintas cargas.

Debemos tener en muy en cuenta dos cosas:

9 El tomo no recibe electrones de la nada, como tampoco cede electrones a la nada o al aire, sino que cuando se produce un in, el tomo recibe electrones de otro tomo que por alguna razn tiende a cederlos. Por ende, cuando un tomo cede electrones lo hace a otro tomo que por alguna razn tiende a recibirlos. 9 El tomo slo puede ceder o recibir electrones, nunca protones. Los protones no pueden salir del ncleo.

Los iones pueden ser monoatmicos o poliatmicos, segn la cantidad de

tomos que lo formen. Ejemplo de iones monoatmicos son los del Fe y el Cl en su n de oxidacin 1 y de poliatmicos todos los que forma el Cl en sus n de oxidacin positivos.

Veamos un ejemplo con el azufre, S:

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Cuando el azufre se encuentra elctricamente neutro se denomina azufre y se simboliza S. Cuando el azufre recibe dos electrones forma el anin sulfuro, y se simboliza S2-. Ahora, cuando el azufre se encuentra en estados de oxidacin altos, es decir, valencias IV y VI, cede electrones y no se encuentra como el tomo con esa carga: S+4 y S+6 respectivamente, sino que con estos nmeros de oxidacin el azufre se encuentra combinado con otros elementos, la mayor parte de las veces con el oxgeno (puede combinarse con otros tomos, aunque no sea comn) dando aniones poliatmicos. Los iones que forma, en estos casos el azufre son el anin sulfito, SO32- y el anin sulfato, SO42-, respectivamente.

Por eso hay que tener mucho cuidado al nombrar los iones formados por combinacin de tomos, porque que un elemento se encuentre con un nmero de oxidacin positivo no quiere decir que est formando un catin.

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La tabla peridica de los elementos Para poder entender la nomenclatura de los diferentes elementos y

compuestos necesitamos previamente saber algunas propiedades de los elementos que componen a los compuestos. Para ello recurrimos a un material valiossimo que todo qumico debe tener: LA TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS.

La tabla peridica actual no es la primera que fue realizada sino que se haban intentado ordenar los distintos elementos segn diferentes criterios pero nunca se consigui una disposicin coherente. Fue en el ao 1869 que MENDELEIEV agrup los elementos conocidos siguiendo un orden creciente de sus pesos atmicos, de forma tal que aquellos elementos con propiedades similares quedasen en una misma columna. As obtuvo una pequea tabla peridica con siete columnas. Hoy en da podemos ver que la disposicin de los elementos en aquella tabla fue una genialidad, ya que se contaban con muy pocos datos sobre cada elemento. Adems Mendeleiev predijo la existencia de elementos que aun no se conocan dejando en su pequea tabla huecos correspondientes a esos elementos. A partir de esos huecos Mendeleiev predijo la existencia y las propiedades de elementos desconocidos que l llam eka-aluminio, eka-boro, y eka-silicio. Ms tarde se descubrieron el galio, el escandio y el germanio coincidiendo con sus predicciones. Es por esa razn que a Dimitri Mendeleiev se lo conoce como el padre de la tabla peridica de los elementos.

Qu informacin provee la tabla peridica?

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La tabla peridica de los elementos nos brinda informacin sobre todos los elementos existentes hasta el momento. Entre los datos que ofrece se encuentran como ms relevantes en el cursado de Qumica General e Inorgnica, como ser:

9 Nmero atmico (Z)

9 Peso atmico: Nmero asignado a cada elemento qumico para especificar la masa promedio de sus tomos.

9 Nmero de Oxidacin

9 El tipo de elemento: metal, no metal, gas noble

Ejercitacin 1) Qu es (elemento, mezcla, etc): - Agua que est siendo enfriada con hielo. - Agua que fue enfriada con hielo y ste ya se derriti. - Un anillo de oro (Au). - Un cascote de barro. - Un tomo de cobre (Cu). - Un trozo de aluminio (Al). - Agua + arena. - Una molcula de amonaco (NH3) - Aceite de maz + aceite de girasol. - Soda. - Un perfume. 2) Realiz las siguientes experiencias y describ lo que observes.

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a) Materiales necesarios: - Alcohol comn (etanol o alcohol etlico) - Agua - Sal (cloruro de sodio) - Harina de maz - Azcar (sacarosa) - Una cuchara sopera - Una cucharita - Vasito de yogur o postre o frascos de vidrio viejos bien lavados Procedimiento: Coloc agua dentro del vasito (cuatro cucharadas soperas). Luego agregale una puntita de la cucharita (la mitad de la mitad al ras) de azcar y agit suavemente por lo menos un minuto. Observ y registr en un cuaderno qu tipo de mezcla te qued. Ahora tir lo que tenas, lava el vaso, seclo y repet la operacin agregndole la sal. Hac lo mismo y agreg la harina de maz. Una vez que observaste y anotaste todo. Repet la operacin pero en vez de agua us alcohol. Cuidado! El alcohol es inflamable por lo tanto trabaj lejos de todo tipo de fuego. b) Si pods conseguir una lupa agarr distintos materiales y observalos detalladamente. Qu tipo de sustancia son? (Pods estudiar una piedra, un cascote de barro, un vaso con aceite y vinagre, uno con agua y alcohol, una gaseosa y cualquier otra cosa que encuentres. 3) Tom una tabla peridica estudi los smbolos de los siguientes compuestos: Hidrgeno, Sodio, Potasio, Magnesio, Calcio, Bario, Cromo, Manganeso, Hierro, Cobalto, Nquel, Cobre, Plata, Oro, Zinc, Cadmio, Mercurio, Aluminio, Carbono, Silicio, Plomo, Nitrgeno, Fsforo, Arsnico, Oxgeno, Azufre, Flor, Cloro, Bromo y Yodo. Ahora escribilos en dos grupos separndolos como metales y no metales. Para cada uno indic su nmero atmico, su peso y los estados de oxidacin. Como una ayudita para facilitar el estudio ac estn algunos de los usos de cada uno. Hidrgeno: Es el gas que usan los dirigibles (zeppelins) para poder volar.

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Sodio: El sodio metlico es muy blando y se lo puede cortar con un cuchillo. Todas sus sales pueden disolverse en agua y forma parte de la sal comn (cloruro de sodio). En su nico estado de oxidacin es el principal elemento del plasma sanguneo. Potasio: Es un metal que en su nico estado de oxidacin es esencial para posibilitar la conduccin elctrica en las clulas del corazn. Magnesio: Es esencial para la vida y se lo administra al organismo en forma de complejos multivitamnicos o sales de magnesio. Calcio: Es el componente principal de los huesos y dientes. Bario: Las sales de bario son utilizadas para realizar diagnstico por imgenes. Cromo: En su estado de oxidacin +6 (dicromato de potasio) se lo utiliza para curtir los cueros. En estado de oxidacin +3 es esencial para la salud, y en estado 0 se lo utiliza para realizar los cromados de metales y para fabricar el acero inoxidable (junto con el hierro). Manganeso: Es un elemento esencial para la vida. Hierro: Es el principal componente del acero. Cobalto: Utilizado en medicina para realizar diagnsticos por imgenes. Nquel: Utilizado para fabricar bateras. Cobre: Es muy utilizado en la fabricacin de cables, entre otras cosas. Plata: Es muy utilizado en joyera y en electrnica. Oro: Es un metal muy utilizado en joyera. Zinc: Es muy utilizado en los complejos multivitamnicos ya que es esencial para la vida. Cadmio: Es utilizado para fabricar bateras. Mercurio: Es un metal muy txico (en todos sus estados de oxidacin). Es muy utilizado en la fabricacin de los termmetros por ser muy sensible a pequeos cambios de temperatura. Aluminio: Es un metal muy til por ser muy liviano y maleable. Con l se realizan envases de todo tipo y hasta aviones. Carbono: Es el cuarto elemento ms abundante en el universo. Forma, entre otros compuestos al carbonato, siendo el carbonato de calcio el componente principal de las perlas y las conchas de las ostras Silicio: El 95 % de la corteza terrestre est formada por compuestos de silicio. Forma parte del barro, el vidrio y el cemento. Plomo: Es uno de los principales componentes de las bateras. Nitrgeno: Constituye el 78% del volumen de la atmsfera y es el quinto elemento ms comn en el universo. Fsforo: Toda la materia viva lo contiene. Forma parte del ADN.

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Arsnico: es un veneno para los seres vivos. Oxgeno: Es el gas con el cual respiran las clulas para producir energa. Azufre: Con l se forma cido sulfrico, el cual ocupa el primer lugar en el mundo de las principales sustancias producidas por la industria qumica Flor: Componente del cido fluorhdrico que se utiliza para grabar los vidrios. Cloro: Se lo encuentra principalmente como cloruro de sodio (sal comn) en el agua de mar. Yodo: Se lo utiliza como desinfectante. (CONSEJO!!!! Una de las mejores tablas que pods usar, por ser una de las ms completas es la de Sargent-Welch).