CRISTALOQUIMICAEl tomo:

El tomo es la unidad de materia ms pequea de un elemento qumico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos qumicos. Est compuesto por un ncleo atmico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. El ncleo est formado por protones, con carga positiva, y neutrones, elctricamente neutros. Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagntica.

Los tomos se clasifican de acuerdo al nmero de protones y neutrones que contenga su ncleo. El nmero de protones o nmero atmico determina su elemento qumico, y el nmero de neutrones determina su istopo. Un tomo con el mismo nmero de protones que de electrones es elctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.

Elementos qumicos y el Sistema peridico:

La tabla peridica de los elementos clasifica, organiza y distribuye los distintos elementos qumicos, conforme a sus propiedades y caractersticas; su funcin principal es establecer un orden especfico agrupando elementos.

Suele atribuirse la tabla a Dmitri Mendelyev, quien orden los elementos basndose en la variacin manual de las propiedades qumicas, si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llev a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades fsicas de los tomos. La forma actual es una versin modificada de la de Mendelyev; fue diseada por Alfred Werner.

La historia de la tabla peridica est ntimamente relacionada con varios aspectos del desarrollo de la qumica y la fsica:

-El descubrimiento de los elementos de la tabla peridica.

-El estudio de las propiedades comunes y la clasificacin de los elementos.

-La nocin de masa atmica (inicialmente denominada "peso atmico") y, posteriormente, ya en el siglo XX, de nmero atmico.

-Las relaciones entre la masa atmica (y, ms adelante, el nmero atmico) y las propiedades peridicas de los elementos.

El descubrimiento de los Elementos:

Aunque algunos elementos como el oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu), plomo (Pb) y el mercurio (Hg) ya eran conocidos desde la antigedad, el primer descubrimiento cientfico de un elemento ocurri en el siglo XVII cuando el alquimista Henning Brand descubri el fsforo (P). En el siglo XVIII se conocieron numerosos nuevos elementos, los ms importantes de los cuales fueron los gases, con el desarrollo de la qumica neumtica: oxgeno (O), hidrgeno (H) y nitrgeno (N). Tambin se consolid en esos aos la nueva concepcin de elemento, que condujo a Antoine Lavoisier a escribir su famosa lista de sustancias simples, donde aparecan 33 elementos. A principios del siglo XIX, la aplicacin de la pila elctrica al estudio de fenmenos qumicos condujo al descubrimiento de nuevos elementos, como los metales alcalinos y alcalinotrreos, sobre todo gracias a los trabajos de Humphry Davy. En 1830 ya se conocan 55 elementos. Posteriormente, a mediados del siglo XIX, con la invencin del espectroscopio, se descubrieron nuevos elementos, muchos de ellos nombrados por el color de sus lneas espectrales caractersticas: cesio (Cs, del latn caesus, azul), talio (Tl, de tallo, por su color verde), rubidio (Rb, rojo), etc.

El modelo de Bohr del tomo:

El modelo atmico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un modelo clsico del tomo, pero fue el primer modelo atmico en el que se introduce una cuantizacin a partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el fsico dans Niels Bohr, para explicar cmo los electrones pueden tener rbitas estables alrededor del ncleo y por qu los tomos presentaban espectros de emisin caractersticos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Adems el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoelctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

Primer postulado

Los electrones describen rbitas circulares en torno al ncleo del tomo sin radiar energa.La causa de que el electrn no radie energa en su rbita es, de momento, un postulado, ya que segn la electrodinmica clsica una carga con un movimiento acelerado debe emitir energa en forma de radiacin.

Para conseguir el equilibrio en la rbita circular, las dos fuerzas que siente el electrn: la fuerza coulombiana, atractiva, por la presencia del ncleo y la fuerza centrfuga, repulsiva por tratarse de un sistema no inercial, deben ser iguales en magnitud en toda la rbita. Esto nos da la siguiente expresin:

Donde el primer trmino es la fuerza elctrica o de Coulomb, y el segundo es la fuerza centrfuga; k es la constante de la fuerza de Coulomb, Z es el nmero atmico del tomo, e es la carga del electrn, es la masa del electrn, v es la velocidad del electrn en la rbita y r el radio de la rbita.En la expresin anterior podemos despejar el radio,

Obteniendo:

Y ahora con sta ecuacin y sabiendo que la energa total es la suma de las energas cintica y potencial:

Donde queda expresada la energa de una rbita circular para el electrn en funcin del radio de dicha rbita.

Segundo postulado

No todas las rbitas para electrn estn permitidas, tan solo se puede encontrar en rbitas cuyo radio cumpla que el momento angular,, del electrn sea un mltiplo entero de Esta condicin matemticamente se escribe:

Con A partir de sta condicin y de la expresin para el radio obtenida antes, podemos eliminar y queda la condicin de cuantizacin para los radios permitidos:

Con subndice introducido en esta expresin para resaltar que el radio ahora es una magnitud discreta, a diferencia de lo que deca el primer postulado.

Ahora, dndole valores a , nmero cuntico principal, obtenemos los radios de las rbitas permitidas. Al primero de ellos (con n=1), se le llama radio de Bohr:

Expresando el resultado en angstrom.Del mismo modo podemos ahora sustituir los radios permitidos en la expresin para la energa de la rbita y obtener as la energa correspondiente a cada nivel permitido:

Igual que antes, para el tomo de Hidrgeno (Z=1) y el primer nivel permitido (n=1), obtenemos:

que es la llamada energa del estado fundamental del tomo de Hidrgeno.Y podemos expresar el resto de energas para cualquier Z y n como:

En= (Z2/N2) E0Tercer postulado

El electrn solo emite o absorbe energa en los saltos de una rbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotn cuya energa es la diferencia de energa entre ambos niveles. Este fotn, segn la ley de Planck tiene una energa:

Donde identifica la rbita inicial y la final, y es la frecuencia.Entonces las frecuencias de los fotones emitidos o absorbidos en la transicin sern:

A veces, en vez de la frecuencia se suele dar la inversa de la longitud de onda:

sta ltima expresin fue muy bien recibida porque explicaba tericamente la frmula fenomenolgica hallada antes por Balmer para describir las lneas espectrales observadas desde finales del siglo XIX en la desexcitacin del Hidrgeno, que venan dadas por:

Con y donde es la constante de Rydberg para el hidrgeno. Y como vemos, la expresin terica para el caso , es la expresin predicha por Balmer, y el valor medido experimentalmente de la constante de Rydberg ), coincide con el valor de la frmula terica.

Se puede demostrar que este conjunto de hiptesis corresponde a la hiptesis de que los electrones estables orbitando un tomo estn descritos por funciones de onda estacionarias. Un modelo atmico es una representacin que describe las partes que tiene un tomo y como estn dispuestas para formar un todo. Basndose en la constante de Planck consigui cuantizar las rbitas observando las lneas del espectro.

El Modelo de Schrdinger del tomo:

El modelo atmico de Schrdinger (1924) es un modelo cuntico no relativista. Se basa en la solucin de la ecuacin de Schrdinger para un potencial electrosttico con simetra esfrica, llamado tambin tomo hidrogenoide. En este modelo los electrones se contemplaban originalmente como una onda estacionaria de materia cuya amplitud decaa rpidamente al sobrepasar el radio atmico.

El modelo de Bohr funcionaba muy bien para el tomo de hidrgeno. En los espectros realizados para otros tomos se observaba que electrones de un mismo nivel energtico tenan energas ligeramente diferentes. Esto no tena explicacin en el modelo de Bohr, y sugera que se necesitaba alguna correccin. La propuesta fue que dentro de un mismo nivel energtico existan subniveles. La forma concreta en que surgieron de manera natural estos subniveles, fue incorporando rbitas elpticas y correcciones relativistas. As, en 1916, Arnold Sommerfeld modific el modelo atmico de Bohr, en el cual los electrones slo giraban en rbitas circulares, al decir que tambin podan girar en rbitas elpticas ms complejas y calcul los efectos relativistas.

Solucin de la ecuacin de Schrdinger:

Las soluciones estacionarias de la ecuacin de Schrdinger en un campo central electrosttico, estn caracterizadas por tres nmeros cunticos (n, l, m) que a su vez estn relacionados con lo que en el caso clsico corresponderan a las tres integrales del movimiento independientes de una partcula en un campo central. Estas soluciones o funciones de onda normalizadas vienen dadas en coordenadas esfricas por:

Donde:

es el radio de Bohr.

son los polinomios generalizados de Laguerre de grado n-l-1.

es el armnico esfrico (l, m)

Los autovalores son:

Para el operador momento angular:

Para el operador hamiltoniano:

Donde:

es la constante de estructura fina con Z=1.

Configuracin electrnica y la tabla peridica:

Los cuatro nmeros cunticos (n, l, m, s) permiten identificar completamente un electrn en cualquier orbital de cualquier tomo. Si analizamos el tomo de hidrgeno, vemos que representa un sistema muy sencillo porque slo contiene un electrn, que se ubica en el orbital s del primer nivel de energa. Esta situacin es diferente para tomos que tienen ms de un electrn. Para conocer la distribucin de electrones en los distintos orbitales (lugares donde es ms probable encontrar un electrn) en el interior de un tomo, se desarroll la configuracin electrnica. En ella se indica claramente el nivel de energa, los orbitales ocupados y el nmero de electrones de un tomo.

La configuracin electrnica del tomo de hidrgeno es: 1s1

Para tomos ms grandes, la configuracin electrnica se efecta segn tres principios:

- Principio de mnima energa: Las configuraciones electrnicas de los elementos se obtienen por ocupacin sucesiva de los niveles desde el primer nivel de menor energa (1s). A medida que los niveles se llenan, se van ocupando los niveles superiores. El orden de energa creciente puede ser recordado mediante el siguiente esquema:

- Por otra parte, los orbitales s, p, d y f pueden ser ocupados hasta por un total de 2, 6, 10 y 14 electrones respectivamente, pero cuando los subniveles estn parcialmente llenos, los electrones se distribuyen de manera que presentan el mximo nmero de espines con el mismo valor o bien sus espines deben ser paralelos. Este es el Principio de mxima multiplicidad de Hund, que tambin puede enunciarse as: los electrones se distribuyen ocupando los orbitales disponibles en un solo sentido (spin) y luego con los que tienen espn opuesto, completando de esta manera el llenado orbital.

La siguiente tabla presenta un esquema de la clasificacin y nmero de orbitales por nivel atmico:

En la tabla peridica el llenado de electrones se realiza de la siguiente forma:

El Ion:Se define como un tomo o molcula que perdi su neutralidad elctrica por que ha ganado o perdido electrones de su dotacin, originalmente neutra, fenmeno que se conoce como ionizacin.

Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones y los cargados positivamente, consecuencia de una prdida de electrones, se conocen como cationes.

-Clases de iones:Son los iones negativos, aniones, cada electrn, del tomo originalmente neutro, est fuertemente retenido por la carga positiva del ncleo. Al contrario que los otros electrones del tomo, en los iones negativos, el electrn adicional no est vinculado al ncleo por fuerzas de Coulomb, lo est por la polarizacin del tomo neutro. Debido al corto rango de esta interaccin, los iones negativos no presentan series de Rydberg. Un tomo de Rydberg es un tomo excitado con uno o ms electrones que tienen un nmero cuntico principal muy elevado. Estos tomos tienen una serie de propiedades peculiares incluyendo una respuesta exagerada a los campos elctricos y magnticos, periodos de decaimiento bastante largos y la funcin de ondas del electrn se puede aproximar, bajo ciertas condiciones, a una rbita clsica alrededor.

El tamao de los aniones es mayor que el de los tomos neutros y los cationes debido al adicionamiento de un electrn.

-Cationes: Son los iones positivos, es decir, son tomos con una deficiencia de electrones en los orbitales ms externos. Los elementos que normalmente presentan mayor facilidad para ionizarse positivamente, es decir, los elementos que normalmente tienden a perder electrones son los metales, aunque tambin se da esta cualidad en los no metales y en los elementos frontera del bloque p.

El tamao de los cationes es menor que el de los tomos neutros y de los aniones debido a su prdida de electrones de su capa ms externa.

Radios atmicos y inicos:

Los cristales inicos son los cristales constituidos por un conjunto de iones de signo contrario unidos por fuerzas de carcter mayoritariamente

electrosttico, y en los cuales todo el cristal podra ser considerado

como una molcula porqu los iones estn enlazados con sus

vecinos, y estos con los otros y as sucesivamente.

Los iones tienden a empaquetarse de manera que se minimice le

energa, y esto se cumple cuando:

a) las cargas de los iones son neutralizadas por los vecinos

inmediatos, es decir que los vecinos de los cationes son aniones y

Viceversa, y

b) los empaquetados tienden a ser lo ms compactos posible, sin que

la distancia entre dos iones sea menor que la suma de los respectivos

radios inicos, de manera que si consideramos los iones esfricos,

serian tangentes los unos a los otros.

Coordinacin de iones:

Cuando las estructuras estn formadas por dos o ms tipos de tomos unidos por enlace inico, puro o combinado con otros (que es lo ms frecuente), los poliedros de coordinacin estarn en funcin de la relacin de sus radios. Los principios generales que regulan esta coordinacin entre iones son las denominadas Reglas de Pauling:

-La primera regla de Pauling establece que en una estructura cristalina inica, la distancia catin-anin es la suma de los radios de los dos iones y el nmero de coordinacin est determinado por la relacin de los radios del catin con respecto al anin:

Relacin de radiosNmero de CoordinacinDisposicin de los aniones

0,15-0,223Vrtices de un tringulo

0,22-0,414Esquinas de un tetraedro

0,41-0,736Esquinas de un octaedro

0,73-1,08Esquinas de un cubo

112Puntos medios sobre las aristas de un cubo

-La segunda regla de Pauling o Principio de la valencia electrosttica determina que en una estructura de coordinacin estable, la fuerza total de los enlaces de valencia que unen al catin con los aniones que lo rodean es igual a la carga del catin. La fuerza relativa de cualquier enlace en una estructura inica puede determinarse dividiendo la carga total de un ion entre el nmero de vecinos ms prximos a los cuales est unido.

Los enlaces en los que todos los enlaces tienen igual fuerza se llaman isodsmicos. Cuando determinados aniones estn ms fuertemente ligados al catin de coordinacin central que a cualquier otro ion, el compuesto se denomina anisodsmico. Si la fuerza de los enlaces que ligan el catin central coordinador a unos aniones coordinados es exactamente la mitad de la energa de enlace del anin, el cristal es mesodsmico, y puede polimerizarse ya que cada anin puede estar ligado a otra unidad de la estructura con la misma fuerza con que lo est al catin coordinador.

-La tercera regla de Pauling dicta que la existencia de aristas y en especial de caras comunes entre poliedros hace disminuir la estabilidad de las estructuras coordinadas.

- La cuarta regla de Pauling determina que en un cristal que contiene diferentes cationes los que tienen gran valencia y pequeo nmero de coordinacin tienden a no compartir es entre s elementos polidricos.

-La quinta regla de Pauling o Ley de la parsimonia establece que el nmero de partculas estructurales diferentes dentro de una estructura tiende a un lmite.

Fuerzas de Enlace en los Cristales:

Tienen carcter elctrico y el tipo y clase de enlace condiciona las propiedades fsicas y qumicas. En general, cuanto ms fuerte es el enlace ms duro es el cristal y ms elevado es su punto de fusin. Existen 4 tipos de enlace: Inico, Covalente, Metlico, y de Van der Waals, pudiendo existir mezclas entre todos los tipos. Los cristales con un solo tipo de enlace se denominan homodsmicos y los que tienen varios tipos de enlace heterodsmicos.

ENLACE IONICO: Se realiza mediante fuerzas elctricas rompindose debido a la reaccin de disolventes polares (p. e. Agua), dando lugar a soluciones inicas. Los cristales con este tipo de enlace presentan dureza y peso especfico moderado, puntos de fusin y ebullicin y poco conductores de la electricidad y el calor.

ENLACE COVALENTE: Los tomos adyacentes comparten los electrones de las rbitas ms externas para completar sus ltimas capas de electrones, formando as compuestos ms estables. Los minerales con enlace covalente son insolubles con puntos de fusin y ebullicin muy altos.

ENLACE METALICO: Ciertos tomos (metales) liberan electrones dejndolos moverse libremente y con gran rapidez por la estructura molecular o incluso fuera de ella sin alterar el mecanismo del enlace (nube de electrones). A l deben los metales su gran plasticidad, tenacidad, ductilidad y conductibilidad elctrica, as como su baja dureza, puntos de fusin y ebullicin. Entre los minerales slo los metales nativos presentan este tipo de enlace.

ENLACE DE VAN DER WAALS: Es un enlace dbil que fija molculas neutras dipolares (con cargas de distinto signo en sus extremos opuestos). Las molculas se alinean con los polos - frente a los polos + de las molculas prximas. Es el tipo ms dbil de enlace qumico.

La mayora de los minerales son heterodsmicos, como consecuencia las propiedades fsicas sufren cambios direccionales. As por ejemplo con el grafito y con las micas. La exfoliacin plana de estas sustancias se debe a un tipo de enlace ms fuerte en el plano que da lugar a las hojas y ms dbil entre ellas que normalmente suelen ser de tipo Van der Waals.

-Enlace inico:

Es la unin de tomos que resulta de la presencia de atraccin electrosttica entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energa de ionizacin) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrnica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los tomos capta electrones del otro. Gracias a esto se forma un compuesto qumico simple.

-Enlace covalente:

Un enlace covalente entre dos tomos o grupos de tomos se produce cuando estos, para alcanzar el octeto estable, comparten electrones del ltimo nivel. La diferencia de electronegatividades entre los tomos no es suficiente. De esta forma, los dos tomos comparten uno o ms pares electrnicos en un nuevo tipo de orbital, denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos gaseosos o no metales. El Enlace Covalente se presenta cuando dos tomos comparten electrones para estabilizar la unin.

A diferencia de lo que pasa en un enlace inico, en donde se produce la transferencia de electrones de un tomo a otro; en el enlace covalente, los electrones de enlace son compartidos por ambos tomos. En el enlace covalente, los dos tomos no metlicos comparten uno o ms electrones, es decir se unen a travs de sus electrones en el ltimo orbital, el cual depende del nmero atmico en cuestin.

Entre los dos tomos pueden compartirse uno, dos o tres pares de electrones, lo cual dar lugar a la formacin de un enlace simple, doble o triple respectivamente. En la representacin de Lewis, estos enlaces pueden representarse por una pequea lnea entre los tomos.

-Enlace Metlico:

El elemento sodio metal es blando, lustroso, opaco, sctil y buen conductor del calor y de la corriente elctrica. El anlisis por difraccin de rayos X nos revela que las unidades estructurales estn ordenadas en la forma regular peridica de un verdadero slido cristalino. Las propiedades del metal difieren de las de sus sales, lo cual hace pensar que existe un tipo de enlace diferente. El sodio, lo mismo que todos los metales verdaderos, conduce la electricidad mediante electrones que pueden moverse libremente y con gran rapidez a travs de la estructura. Tan prdigos con sus electrones son el sodio y sus parientes prximos cesio, rubidio y potasio, que el impacto de la energa radiante de la luz libera un considerable nmero de ellos de la estructura. Este efecto fotoelctrico, del que dependen instrumentos tales como los fotmetros, demuestra que los electrones estn muy dbilmente ligados en la estructura del metal. Podemos afirmar as que las verdaderas unidades estructurales de los metales son, realmente, los ncleos atmicos unidos por la carga elctrica de la nube de electrones que los circunda (orbitales internos ms orbitales de valencia). Muchos de los electrones no deben su afinidad a un ncleo determinado y tienen libertad para moverse por la estructura o incluso fuera de ella sin alterar en absoluto el mecanismo de enlace. La fuerza atractiva entre los ncleos con sus orbitales electrnicos llenos (pero sin electrones de valencia) y la nube de electrones negativos mantiene unidas estas estructuras. A este tipo de enlace se le denomina enlace metlico. A l deben los metales su gran plasticidad, tenacidad, ductilidad y conductividad, as como su baja dureza. Entre los minerales, solamente los metales nativos presentan este tipo de enlace.

-Enlace de Van der Waals:

Son enlaces dbiles, ya que lo son las fuerzas atractivas que los originan. Los electrones el moverse originan desplazamientos de los centros de cargas y, por ello se forman dbiles dipolos. Estos dipolos, agrupan las molculas de cualquier material observndose esta agrupacin en plsticos y molculas con mucha superficie externa.Es tpico de compuestos como el grafito, formado por dos capas de enlaces covalentes unidas entre s dichas capas por enlaces de Van der Waals.

Una particularidad de este tipo de enlaces, es el llamado enlaces por puentes de hidrgeno, intermolecular.

-Enlace de hidrgeno:Es la fuerza atractiva entre un tomo electronegativo y un tomo de hidrgeno unido covalentemente a otro tomo electronegativo. Resulta de la formacin de una fuerza dipolo-dipolo con un tomo de hidrgeno unido a un tomo de nitrgeno, oxgeno o flor (de ah el nombre de "enlace de hidrgeno", que no debe confundirse con un enlace covalente a tomos de hidrgeno). La energa de un enlace de hidrgeno (tpicamente de 5 a 30 kJ/mol) es comparable a la de los enlaces covalentes dbiles (155 kJ/mol), y un enlace covalente tpico es slo 20 veces ms fuerte que un enlace de hidrgeno intermolecular. Estos enlaces pueden ocurrir entre molculas (intermolecularidad), o entre diferentes partes de una misma molcula (intramolecularidad). El enlace de hidrgeno es una fuerza de van der Waals dipolo-dipolo fija muy fuerte, pero ms dbil que el enlace covalente o el enlace inico. El enlace de hidrgeno est en algn lugar intermedio entre un enlace covalente y una simple atraccin electrosttica intermolecular. Este tipo de enlace ocurre tanto en molculas inorgnicas tales como el agua, y en molculas orgnicas como el ADN.

El enlace de hidrgeno intermolecular es responsable del punto de ebullicin alto del agua (100C). Esto es debido al fuerte enlace de hidrgeno, en contraste a los otros hidruros de calcgenos. El enlace de hidrgeno intramolecular es responsable parcialmente de la estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria de las protenas y cidos nucleicos.

Radiactividad:

Es un fenmeno qumico-fsico por el cual algunos cuerpos o elementos qumicos, llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas radiogrficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, entre otros. Debido a esa capacidad, se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser ncleos de helio, electrones o positrones, protones u otras. En resumen, es un fenmeno que ocurre en los ncleos de ciertos elementos, inestables, que son capaces de transformarse, o decaer, espontneamente, en ncleos atmicos de otros elementos ms estables.

La radiactividad ioniza el medio que atraviesa. Una excepcin lo constituye el neutrn, que no posee carga, pero ioniza la materia en forma indirecta. En las desintegraciones radiactivas se tienen varios tipos de radiacin: alfa, beta, gamma y neutrones.