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ESCUELA LATINOAMERICANA DE MEDICINA

QUMICACurso PremdicoPrimera parte

Autores:Dra. Irene E. Comendeiro Torres Lic. D. Nury Gorrita Garca Lic. Ricardo L. Surez Vzquez Ms.C. Armando Wong Ruz Lic. Andrs Rodrguez Jimnez Lic. Marilyn Daz Vzquez Lic. Mnica Valds Naranjo Ms.C Katia Valds Fernndez Lic. Neyvis Almora Barrios Ing. Wuilmaris Prez Torres Ing. Yamira Gui Sing Mendoza Ms.C Rosa M. Capote Obregn

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PrlogoDespus del reconocido impacto social de la Misin Barrio Adentro desde su inicio en el mes de abril de 2003, en estos momentos y como parte de la voluntad poltica del gobierno bolivariano de Venezuela en el proceso de universalizacin de la educacin superior, esta Misin ha comenzado una nueva fase de desarrollo que tiene entre sus prioridades la formacin masiva de mdicos integrales comunitarios que darn continuidad en los prximos aos a los programas de salud no slo para el hermano pueblo venezolano sino tambin para los pueblos de Latinoamrica y el Caribe. La experiencia internacional y en particular la experiencia cubana a travs del proyecto de la Escuela Latinoamericana de Medicina, que desde 1999 es una realidad en la formacin de mdicos para esta regin del mundo; han demostrado la conveniencia de desarrollar en Venezuela como parte del proceso de formacin de mdicos integrales comunitarios, un Curso Premdico que contribuya a la preparacin de los estudiantes provenientes de los diferentes estados y regiones del pas y sea a la vez una garanta ms para la formacin con calidad del nuevo mdico venezolano. Una asignatura importante en este curso es la Qumica como fundamento cientfico para la comprensin de las bases moleculares de diferentes procesos biolgicos de trascendencia en la morfofisiologa humana normal y patolgica como ejes de formacin cientfica del mdico. No admite discusin que una buena preparacin en Qumica General y Qumica Orgnica es una especie de llave maestra para introducir con xito a los estudiantes de Medicina en las complejidades moleculares de la vida y de los estados de salud y enfermedad. Constituye una fortaleza inestimable poder disponer de un libro de Qumica como ste que responde de manera pertinente a los intereses del Curso Premdico que se ha diseado, y que ha sido validado en la prctica durante varios aos como recurso didctico efectivo. Sin dudas esta es la mayor satisfaccin de aquellos que con verdaderas motivaciones, como los autores de este valioso libro, han dedicado sus mejores esfuerzos en apoyar la formacin de las nuevas generaciones de mdicos que necesitan nuestros pueblos.

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NDICE Captulo 1. La estructura del tomo. 1.1 Breve recuento histrico acerca del desarrollo de la teora atmica. 13 1.2 El modelo actual del tomo. 16 1.3 Los elementos qumicos. 16 1.4 Los istopos. 18 1.5 Masa atmica relativa. 21 1.6 La representacin de la distribucin electrnica de los tomos. 22 1.7 La tabla peridica de 18 columnas. 28 1.8 Variacin de las propiedades atmicas en la tabla peridica. 29 1.9 Clasificacin de los elementos. 33 Resumen 33 Captulo 2. El enlace qumico 2.1 El enlace qumico. Clasificacin. 35 2.2 Enlace inico. 37 2.3 Enlace covalente. 40 2.3.1 Formacin del enlace covalente. Enlace covalente mltiple. Covalencia. 40 2.3.1.1 Enlace covalente coordinado. 42 2.3.1.2 Cristales covalentes y cristales moleculares. 43 2.3.2 Parmetros de enlace. 45 2.3.2.1 Longitud de enlace. 45 2.3.2.2 ngulo de enlace. 46 2.3.2.3 Energa de enlace. 47 2.3.3 Enlace sigma () y enlace (). 49 2.3.3.1 Caractersticas y tipos de enlace (). 49 2.3.3.2 Caractersticas del enlace (). 52 2.3.4 Polaridad del enlace covalente. 56 2.3.4.1 Momento dipolar. 57 2.3.4.2 Polaridad de las molculas poliatmicas y estructura espacial. 58 2.4 Resonancia. 62 2.5 Fuerzas intermoleculares. 64 2.5.1 Atracciones dipolo-dipolo. 65 2.5.2 Atracciones dipolo fluctuante-dipolo inducido.66 2.6 Enlace metlico. 68 2.7 Propiedades de las sustancias que dependen del tipo de enlace. 70 2.7.1 Propiedades de los compuestos con enlace inico. 70 2.7.2 Propiedades de las sustancias con enlace covalente. 71 2.7.3 Propiedades de las sustancias con enlace metlico. 72 2.8 Estructura de las sustancias. 76 Resumen. 76 Captulo 3. Las principales clases de sustancias inorgnicas. 3.1 Clasificacin de las sustancias. 78 3.2 Las sustancias metlicas. 79 3.2.1 Nomenclatura de las sustancias inorgnicas. 80 3.3 Las sustancias no metlicas. 80 13

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3.3.1 Nomenclatura de las sustancias no metlicas. 81 3.3.2 El dioxgeno. 82 3.3.3 El ozono. 82 3.3.4 El dinitrgeno. 85 3.4 Las sustancias semimetlicas. 86 3.5 Los xidos. Clasificacin. 86 3.5.1 Los xidos metlicos. 87 3.5.2 Nomenclatura y notacin de los xidos metlicos. 89 3.5.3 Los xidos no metlicos. 90 3.5.4 Nomenclatura y notacin de los xidos no metlicos 90 3.5.5 El monxido de nitrgeno. 90 3.5.6 El monxido de dinitrgeno. 91 3.5.7 El dixido de nitrgeno. 91 3.5.8 El dixido de azufre. 91 3.5.9 El trixido de azufre. 91 3.5.10 El monxido de carbono. 92 3.5.11 El dixido de carbono. 93 3.6 Los hidrxidos metlicos. 93 3.6.1 Nomenclatura y notacin de los hidrxidos metlicos. 94 3.6.2 El hidrxido de sodio. 95 3.6.3 El hidrxido de calcio.96 3.6.4 El hidrxido de magnesio. 96 3.7 Los cidos. Clasificacin. 96 3.7.1 Nomenclatura y notacin de los cidos. 97 3.7.2 El cido clorhdrico. 99 3.7.3 El cido ntrico. 99 3.7.4 El cido sulfrico 99 3.7.5 El cido fosfrico. 100 3.8 Las sales .Clasificacin. 100 3.8.1 Nomenclatura y notacin de las sales. 101 3.8.2 Aplicaciones teraputicas de las sales. 101 3.9 Masa frmula relativa (Mr(X)) y cantidad de sustancia (n(X)). 102 3.10 La masa molar. 103 Resumen. 104 Captulo 4. El agua. 4.1 Estructura del agua. Hibridacin. 106 4.2 Propiedades fsicas del agua. 109 4.3 Enlace de hidrgeno.110 4.4 Funciones del agua en el organismo. 112 4.5 Los sistemas dispersos. 112 4.6 Solubilidad de las sustancias en agua. 115 4.7 Concentracin del soluto en las disoluciones. 117 4.7.1 Concentracin al tanto por ciento. 118 4.7.2 Concentracin de la cantidad de sustancia. 120 4.7.3 Concentracin de la cantidad de sustancia del equivalente. 121 4.8 Dilucin de las disoluciones. 123 4.9 La contaminacin del agua: un problema ecolgico actual. 126 5

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Resumen

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Capitulo 5. Las reacciones qumicas. 130 5.1 Las reacciones qumicas. 131 5.2 Ley de conservacin de la masa. 133 5.3 Reacciones reversibles e irreversibles. 134 5.4 Cambios energticos asociados a las reacciones qumicas. 135 5.4.1 Parmetros termodinmicos fundamentales para definir el estado de un sistema. 136 5.4.2 Ley de conservacin de la energa. 137 5.4.3 Calor y trabajo. 138 5.4.4 Entalpa. 140 5.4.5 Espontaneidad de las reacciones qumicas. 142 5.4.6 Energa libre. 144 5.5 La velocidad de las reacciones qumicas. 148 5.6 Influencia de la concentracin de las sustancias reaccionantes en la velocidad de las reacciones. Ley de velocidad. 152 5.6.1 Reacciones de orden cero y de primer orden. 154 5.7 Mecanismo de reaccin. 156 5.8 Influencia de la temperatura en la velocidad de las reacciones. 157 5.9 Efecto de los catalizadores sobre la velocidad de las reacciones. 163 5.10 Las reacciones redox. 167 5.11 Oxidantes y reductores. 168 5.12 Formas oxidadas y formas reducidas. 169 5.13 Potenciales de reduccin estndar. 172 5.14 Pilas electroqumicas. 174 5.15 Prediccin de la direccin en que ocurre espontneamente una reaccin redox. 175 5.15.1 Los procesos redox y la energa libre. 176 5.17 El potencial de reduccin en condiciones no estndar. La ecuacin de Nernst. 177 5.18 Oxidacin biolgica. 181 Resumen. 183

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CAPTULO 1. LA ESTRUCTURA DEL TOMO.Para entender a cabalidad cmo funciona el organismo humano, cules son las causas de las enfermedades, cmo combatirlas y sobre todo prevenirlas, es necesario tener conocimientos de Qumica ya que todas las formas de vida, desde las ms simples, dependen de los centenares de reacciones qumicas, reguladas con absoluta precisin, que tienen lugar en las clulas. En la vida diaria estamos acostumbrados a interactuar con sustancias que tienen determinadas propiedades: un clavo de hierro se oxida fcilmente a la intemperie, la sal comn y el azcar son slidos blancos que se disuelven con facilidad en el agua, pero con diferentes sabores, el aceite y el vinagre no se mezclan entre s y as muchos otros ejemplos. La explicacin a las propiedades de las sustancias est precisamente en el tipo de tomos que las constituyen y cmo estn unidos. La inmensa cantidad de sustancias que existen, la mayora de ellas sintetizadas por el hombre gracias al desarrollo cientfico y tecnolgico, estn constituidas por un nmero relativamente pequeo de tipos de tomos: los elementos qumicos. Es decir, las propiedades de las sustancias y sus aplicaciones en la prctica o las funciones que desempean en el organismo, dependen de cules tomos y cmo estos estn unidos entre s. Conocer, pues, qu son los tomos, cmo estn constituidos, en que se diferencian unos de otros, cules son sus propiedades, nos permitir entender las propiedades fsicas y qumicas de las sustancias.

1.1 Breve recuento histrico acerca del desarrollo de la teora atmica.Desde tiempos muy remotos el hombre se preocup por entender y explicar, entre otras cosas, cmo estaba constituido el mundo que lo rodeaba. Los filsofos de la antigedad intentaron dar esta explicacin desde diferentes puntos de vista. Demcrito, filsofo griego materialista (460-370 a.n.e.) fue el primero en emplear el trmino tomo (del griego sin divisin) para plantear sus ideas acerca de que todo estaba constituido por partculas extremadamente pequeas e indivisibles, con determinada forma, y que estaban en continuo movimiento. Sin embargo, estas ideas fueron reemplazadas por las del filsofo idealista griego Aristteles (384-322 a.n.e) quien neg la existencia de los tomos e introdujo la concepcin de que todas las sustancias provenan de la combinacin de cuatro elementos materiales: el fuego, el aire, el agua y la tierra que podan convertirse unos en otros. Las ideas de Aristteles prevalecieron prcticamente durante casi 2000 aos y sirvieron como base terica al perodo inicial de desarrollo de la Qumica conocido como Alquimia (300 a.n.e.-1650) y que tuvo como objetivos obtener la piedra filosofal capaz de obtener oro mediante la transformacin de otros metales como el plomo y el mercurio y el elixir de la vida, que hiciera al hombre inmortal. En los siglos XVI y XVII prosper la Iatroqumica, (una rama de la alquimia) dedicada a la preparacin de medicinas a partir de sustancias qumicas Su representante ms significativo fue el mdico suizo Theophrastus von Hohenheim, conocido como Paracelso. La Iatroqumica es considerada la precursora de la farmacologa. Por supuesto que los alquimistas no lograron sus objetivos sin embargo, posibilitaron el desarrollo de muchas tcnicas y operaciones del laboratorio qumico empleadas hasta nuestros das y obtuvieron un gran nmero de sustancias nuevas como el cido sulfrico, el cido clorhdrico, los hidrxidos de sodio y de potasio, etc.

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A principios del siglo XVII las ideas atomistas volvieron a resurgir debido, entre otros factores, al fracaso de los alquimistas y al perfeccionamiento de los mtodos experimentales y sobre todo los cuantitativos para estudiar y entender las propiedades y el comportamiento de las sustancias. A finales del siglo XVIII haba sido descubierto el hecho de que durante las reacciones qumicas se conserva la masa y se haba estudiado la composicin cuantitativa de muchas sustancias. Todos estos avances permitieron corroborar la idea de la existencia de los tomos lo que llev a John Dalton (qumico, matemtico y filsofo ingls) en los aos 1803-1808 a plantear que los elementos estaban constituidos por tomos que tenan una forma, una masa y determinadas propiedades en dependencia del elemento que se tratara y que durante las reacciones qumicas ocurra solo la separacin, combinacin o reestructuracin de los tomos, ya que estos ni se crean ni se destruyen. Dalton propuso adems que las sustancias compuestas eran el resultado de la combinacin de tomos de diferentes elementos en proporciones definidas. La teora atmica de Dalton tuvo un papel decisivo en el desarrollo de la qumica moderna, aunque algunos de sus planteamientos fueron posteriormente modificados. Las dudas acerca de la indivisibilidad del tomo comenzaron a rondar las mentes de los cientficos con los descubrimientos relacionados con la electricidad que tuvieron lugar en las primeras dcadas del siglo XIX. En los aos 1822-33 Michael Faraday realiz una serie de experimentos de descomposicin de algunas sustancias mediante la electricidad (proceso conocido como electrlisis) que llevaron a George Stoney en 1874 a sugerir que las unidades de carga elctrica estaban asociadas a los tomos y a proponer en 1891 que estas unidades se llamaran electrones. Otros experimentos relacionados con el paso de la corriente elctrica a travs de los gases proporcionaron ms evidencias acerca de la existencia del electrn y por tanto de la divisibilidad del tomo. En el ao 1859 fueron descubiertos los llamados rayos catdicos al hacer pasar una corriente elctrica en un tubo prcticamente al vaco. Estos rayos fueron estudiados y se determin que eran haces de partculas cargadas negativamente que se movan a una gran velocidad y que fueron nombradas electrones. Estudiando los rayos catdicos en 1895 Wilhelm Rntgen1 descubri que cuando estos rayos incidan sobre el vidrio y los metales se emitan unos rayos capaces de penetrar la materia, que oscurecan las placas fotogrficas y que no tenan carga. Por desconocer la naturaleza de estos rayos los llam Rayos X que tienen an en nuestros das una gran aplicacin en la medicina. El descubrimiento de la emisin de determinadas radiaciones de manera espontnea por algunos tomos (fenmeno conocido como radiactividad) en 1896 por el cientfico Henri Becquerel contribuy a la confirmacin de las ideas acerca de la existencia de las partculas subatmicas. Adems, estas sustancias radiactivas comenzaron a emplearse para bombardear con esas radiaciones a otras sustancias y estudiar la forma en que interactuaban con ellas. En 1897 el fsico britnico Joseph J. Thompson estudiando la desviacin de los rayos catdicos en los campos elctrico y magntico determin la relacin entre la masa y la carga del electrn. Por este descubrimiento este cientfico obtuvo en el ao 1906 el Premio Nbel de Fsica. Ms tarde, en 1917 R. A. Millikan2 determin experimentalmente la carga del electrn lo que posibilit adems calcular su masa.1 2

Wilhelm Rntgen (1845-1923). Fsico alemn que recibi el Premio Nbel de Fsica en 1901. Robert Andrews Millikan(1865-1953). Fsico estadounidense que obtuvo el Premio Nbel de Fsica en 1923.

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Thompson a partir de estos hechos que dejaban claro que los tomos contienen electrones y que son neutros, propuso su modelo atmico conocido como pudn de pasas en el cual el tomo era una esfera positiva en la que los electrones estaban insertados, cual pasas en un pudn. En 1910 Ernest Rutherford3, discpulo de Thompson, realiz una serie de experimentos tratando de confirmar el modelo propuesto por su maestro. Sin embargo, los resultados obtenidos echaron por tierra el modelo atmico de Thompson. Rutherford propuso en su lugar que el tomo est constituido por un ncleo, que ocupa una parte muy pequea en comparacin con el volumen total del tomo, en el que se concentran las cargas positivas y los electrones se mueven alrededor del ncleo. Este cientfico sugiri en 1920 que en el ncleo adems de los protones deban existir partculas no cargadas y de masa semejante a la del protn a las que llam neutrones. Los neutrones fueron descubiertos en 1932 por James Chadwick. Al profundizar en el estudio de este modelo y tratar de describir el movimiento de los electrones surgieron nuevas dificultades. De acuerdo con los planteamientos de la Fsica Clsica (aplicada a los objetos del macromundo) el electrn, como cualquier carga movindose deba irradiar energa constantemente. Esto traera consigo que a medida que perdiera energa deba irse acercando al ncleo hasta precipitarse contra l, por lo que el tomo no sera un sistema estable, lo que no concordaba con la realidad. Adems determinados experimentos demostraron que los tomos en su estado normal no emiten energa y que cuando lo hacen, bajo determinadas condiciones, lo hacen de una forma discontinua. A partir de estos hechos y apoyndose en la hiptesis planteada por Plank y desarrollada por Einstein en 1905, el cientfico dans Niels Bohr (Premio Nbel en 1922) plante que los electrones se mueven alrededor del tomo en determinadas rbitas circulares o estados estacionarios sin absorber ni emitir energa y que al pasar de una rbita a otra de ms baja energa emite una cantidad determinada de energa. Si bien el modelo atmico de Bohr signific una contribucin importante en la comprensin de la estructura del tomo, no pudo explicar algunos hechos experimentales ni proporcion una descripcin completa del estado del electrn en el tomo. Hacia 1930, a partir del entendimiento de que a las partculas del micromundo no le eran aplicables las leyes de la Fsica que rigen el macromundo (Fsica clsica) debido a que tienen no solo propiedades corpusculares sino tambin ondulatorias, surgi una teora ms completa y exacta para explicar el comportamiento de los electrones en los tomos. El descubrimiento de nuevas partculas subatmicas, en los aos posteriores, hace que hoy tengamos una idea ms completa, aunque no acabada, acerca de la estructura atmica.

1.2 El modelo actual del tomo.Todo el pensamiento qumico contemporneo se basa en la teora atmica que surgi como simple especulacin en la Grecia Antigua y que se desarroll como teora cientficamente fundamentada a finales del siglo XIX y principios del XX y que contina perfeccionndose an en nuestros das. En la actualidad se conoce que el tomo es un sistema extremadamente pequeo, sus dimensiones son del orden de 10-9 cm, y que est constituido por un ncleo y su envoltura, siendo el ncleo unas 10 000 veces menor que la envoltura.3

Ernest Rutherford, fsico neozelands, aunque la mayor parte de su trabajo lo realiz en Inglaterra. Premio Nbel de Fsica en 1908.

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En el ncleo atmico las partculas fundamentales son los protones y los neutrones.4 En la envoltura se encuentran los electrones. El nmero de protones es igual al de electrones. (Tabla 1.1) Del anlisis de la informacin de la tabla se puede concluir que: La masa del tomo est concentrada en el ncleo debido a que la masa del electrn es prcticamente despreciable comparada con la de los protones y los neutrones. Los tomos son sistemas elctricamente neutros ya que tienen el mismo nmero de cargas positivas y negativas. Masa(expresada en kg) 1,7. 10-27 1,7. 10-27 9. 10-31 Masa(referida a la del protn) 1 1 1/1840 Carga(referida a la del electrn) +1 0 -1

Partcula Smbolo Protn neutrn electrn p n e

Tabla 1.1 Principales partculas constituyentes del tomo.

1.3 Los elementos qumicos.Al nmero de protones que tiene un tomo en el ncleo se le denomina nmero atmico y se representa por la letra Z. En la naturaleza existen tomos de hasta 92 protones en el ncleo que son los que originan, al combinarse entre s, toda la variedad de sustancias que conocemos. Adems, se han logrado obtener artificialmente otros tomos cuyo nmero atmico llega al 109. A los tomos que tienen el mismo nmero de protones en el ncleo y por tanto, el mismo nmero atmico se les denomina elementos qumicos, o sea, el elemento qumico es una especie o tipo de tomos que tienen igual nmero atmico y que poseen las mismas propiedades.5 Durante las reacciones qumicas, es decir, cuando ocurre la transformacin de unas sustancias en otras, los ncleos de los tomos no sufren cambios ya que en estos procesos solo participan los electrones. Es por ello que los tomos de un elemento dado tienen el mismo comportamiento qumico. Cuando se unen tomos de un mismo elemento se forman las llamadas sustancias simples, como son el dioxgeno y el dinitrgeno (conocidos comnmente por oxgeno y nitrgeno) que se encuentran formando parte del aire que respiramos. Si se combinan tomos de diferentes elementos se forman las sustancias compuestas, por ejemplo el azcar en cuya composicin hay tomos de carbono, oxgeno e hidrgeno.A los protones y neutrones se les llama nucleones. Hoy da se conoce que existen poderosas fuerzas de atraccin entre ellos que superan las fuerzas repulsivas entre los protones y cuya naturaleza no se conoce con exactitud. Los nucleones adems estn formados por partculas an ms pequeas. 5 En muchos libros el trmino elemento se emplea indistintamente para referirse a una especie de tomos o a una sustancia simple lo que consideramos incorrecto.4

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Cada elemento qumico tiene un nombre que se representa de manera abreviada por un smbolo que puede ser una o dos letras (Tabla 1.2). En la corteza terrestre los elementos ms abundantes son el oxgeno y el silicio (componentes fundamentales de la arena de slice), el aluminio, el calcio, el magnesio y el sodio. De los elementos que existen en la naturaleza solo 56 se encuentran presentes en el mundo animado donde la variedad y abundancia de estos vara de una especie a otra. Sin embargo, en todos los organismos vivos se han encontrado los elementos: hidrgeno, oxgeno, carbono, nitrgeno, fsforo, azufre, cloro, yodo, flor, calcio, potasio, sodio, magnesio, hierro, cobalto y manganeso. Los elementos presentes en el ser humano son 26 (Tabla 1.2). El oxgeno, el hidrgeno, el carbono y el nitrgeno constituyen el 96% de la masa total del cuerpo. Estos elementos son constituyentes de sustancias tan importantes para la vida como el agua, las protenas, las grasas, los carbohidratos y los cidos nucleicos. El calcio, el fsforo, el potasio, el azufre, el sodio, el cloro, el magnesio, el iodo y el hierro representan el 3,9%. Los restantes elementos aunque se encuentran en cantidades muy pequeas (son conocidos como oligoelementos o elementos trazas) son tambin imprescindibles para la vida por las diversas funciones que desempean. El calcio es el principal constituyente de los huesos y dientes, adems interviene, entre otros, en los procesos de contraccin muscular y liberacin de los neurotransmisores. El fsforo adems de de entrar en la composicin de los huesos, es un componente esencial de los cidos nucleicos y de las molculas de ATP ricas en energa y fundamentales en el metabolismo celular. Los iones Na+ y K+ junto con el Cl- son los principales iones en los lquidos celulares. El potasio es el ms abundante en el interior de las clulas mientras que el sodio lo es en el lquido extracelular. Ambos son necesarios para la conduccin nerviosa y la contraccin muscular. El ion cloruro ayuda a mantener el balance de agua en la sangre y el fluido intersticial. El magnesio interviene en diferentes procesos vitales, entre ellos, como depresor del sistema nervioso. El hierro est en la composicin de la hemoglobina que es la sustancia encargada de transportar el oxgeno a travs de la sangre por todos los tejidos del organismo. El yodo se encuentra fundamentalmente en la glndula tiroides donde juega un papel importantsimo en la sntesis de las hormonas tiroideas relacionadas, entre otros aspectos, con el crecimiento.Elemento Oxgeno Carbono Hidrgeno Nitrgeno Calcio Fsforo Potasio Azufre Sodio Cloro Magnesio Iodo Hierro Smbolo O C H N Ca P K S Na Cl Mg I Fe Nmero atmico 8 6 1 7 20 15 19 16 11 17 12 53 26 Elemento Aluminio Boro Cromo Cobalto Cobre Estao Flor Manganeso Molibdeno Selenio Silicio Vanadio Zinc Smbolo Al B Cr Co Cu Sn F Mn Mo Se Si V Zn Nmero atmico 13 5 24 27 29 50 9 25 42 34 14 23 30

Tabla 1. 2 Elementos constituyentes del cuerpo humano. 11

En mucha menor cantidad (en el orden de miligramos) existen en nuestro organismo y no por eso son menos importantes, el cinc, el cobalto, el manganeso, el flor, el yodo, el cobre, el molibdeno y el selenio. El catin cinc (Zn2+) forma parte de una gran cantidad de enzimas, que son sustancias que tienen que ver con la velocidad a la que ocurren las transformaciones de las sustancias en nuestro organismo, por ejemplo en la sntesis de las protenas y el metabolismo de los cidos nucleicos. El cobre (en forma de Cu+2) est distribuido prcticamente por todas las clulas entrando en la composicin de algunas enzimas y entre otras funciones favorece la formacin de la hemoglobina. El flor es uno de los constituyentes de los dientes y huesos en forma de aniones fluoruros (F-) trasmitindoles resistencia. El selenio retrasa los procesos de la miopa y la prsbita, neutraliza los radicales libres y preserva la tonicidad de la piel.

1.4 Los istopos.Los tomos de un elemento qumico tienen el mismo nmero de protones en el ncleo pero pueden diferenciarse entre s por la cantidad de neutrones. Por ejemplo, existen tres tipos de tomos de oxgeno en cuyos tomos hay 8, 9 y 10 neutrones respectivamente. La suma del nmero de protones y neutrones que hay en el ncleo se denomina ndice de masa o nmero msico y se representa por la letra A. Los tomos que tienen igual nmero atmico (y por tanto pertenecen a un mismo elemento) pero diferente ndice de masa se denominan istopos. (Figura 1.1)

Figura 1.1 Representacin de los tomos de los istopos del oxgeno La mayora de los elementos son una mezcla de dos o ms istopos. En la tabla 1.3 aparecen los istopos del oxgeno y su abundancia relativa. Los istopos de un elemento no se diferencian prcticamente en su comportamiento qumico ya que tienen el mismo nmero de electrones. Sin embargo, difieren notablemente en cuanto a sus propiedades nucleares, por ejemplo, el istopo 12 del carbono es muy estable mientras que el carbono 14 se descompone espontneamente, es decir, es radiactivo.

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Istopo16

Nmero atmico

ndice de masa

Abundancia (%) 99,759 0,0037 0,204

O O O

8 8 8

16 17 18

17

18

Tabla 1. 3 Istopos del oxgeno Tambin hay diferencias en las propiedades fsicas de una misma sustancia pero cuya composicin isotpica sea diferente. Por ejemplo, el monxido de carbono formado por tomos de carbono 12 tiene una temperatura de fusin de -199oC, mientras que si tiene en su composicin carbono 13 funde a -2070C. Todos los istopos de los elementos que tienen el nmero atmico mayor que el del bismuto (83) son radiactivos, aunque existen tambin istopos radiactivos de los elementos ms ligeros. La radiactividad consiste en la desintegracin paulatina (natural o artificial) del ncleo con la emisin de partculas, radiaciones electromagnticas o ambas. Este fenmeno fue descubierto por Henry Becquerel6 en 1896 quien al estudiar la fluorescencia en algunos minerales observ que el uranio emita espontneamente radiaciones capaces de impresionar las placas fotogrficas. Mara Curie7 y su esposo Pierre Curie estudiaron y nombraron a este fenmeno radiactividad. Durante sus estudios descubrieron dos nuevos elementos radiactivos a los que llamaron polonio y radio. En 1934 Irene Joliot Curie (hija de los esposos Curie) y su esposo Frdric Joliot prepararon los primeros istopos radiactivos obtenidos artificialmente por lo que recibieron el Premio Nbel de Qumica en 1935. Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas son fundamentalmente de tres tipos: Los rayos alfa () que son ncleos de helio con carga 2+. Cuando se emiten estos rayos ocurre la transformacin de un elemento en otro ya que en este proceso el tomo emisor pierde 2 protones. Los rayos beta () que son haces de electrones. Los rayos gamma () que son radiaciones electromagnticas con elevada energa, que no tienen carga y que son similares a los rayos X. Estas radiaciones se caracterizan por su alto poder penetrante e ionizante por lo que son fcilmente detectadas con los llamados contadores de partcula. En estas caractersticas y en el hecho de que los radioistopos tienen prcticamente el mismo comportamiento qumico que losAntoine Henri Becquerel(1852-1908). Fsico francs. Premio Nbel en Fsica en 1903. Mara Curie (1867-1934) polaca de nacimiento. Realiz sus estudios en Francia donde se cas Con Pierre Curie. Recibi el Premio Nbel de Fsica junto con su esposo y con Becquerel en el ao 1903 siendo as la primera mujer que recibiera tan alta distincin cientfica. En el ao 1911 fue galardonada nuevamente con el Premio Nbel, esta vez de Qumica, convirtindose en la nica mujer que ha obtenido dos veces este premio.7 6

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istopos estables de un elemento (por tener el mismo nmero de protones en el ncleo), estos son utilizados como marcadores o trazadores en el estudio de los mecanismos de reaccin, en los procesos de difusin o de metabolismo de determinadas sustancias en el organismo. Estos istopos son administrados por va parenteral en forma pura o mediante sustancias portadoras de los mismos como protenas, compuestos orgnicos, hormonas, etc. La utilizacin de un determinado radioistopo depende de lo que se quiera investigar, as por ejemplo, en estudios sobre eritrocitos se emplea el istopo radiactivo hierro-59 ya que este elemento es uno de los componentes de la hemoglobina. En las investigaciones sobre el tiroides se usa el istopo iodo-131. Las radiaciones gamma emitidas, entre otros elementos, por el radio, el cobalto y el tecnecio se utilizan en tratamientos de diversos tipos de enfermedades malignas. Independientemente de los aspectos positivos que tiene la aplicacin de los istopos radiactivos en muchas ramas, es preciso tener en cuenta que estos se deben manejar con mucho cuidado porque en determinadas dosis pueden ser perjudiciales a la salud debido a que pueden extraer electrones a los tomos y molculas y formar iones o radicales libres que son partculas muy reactivas causantes de daos en las membranas celulares y en compuestos tan importantes como las protenas y los cidos nucleicos. Entre los efectos negativos de las radiaciones en los seres vivos se pueden citar la esterilidad, quemaduras en la piel, trastornos genticos e incluso la muerte. De las radiaciones ionizantes las menos dainas son las alfa y las ms peligrosas son los rayos gamma que al no tener carga y ser las de mayor energa no pueden ser detenidas con la ayuda de materiales protectores y por ello son las de mayor poder de penetracin. Con el descubrimiento de la radiactividad surgi, entre otras ciencias, la Qumica Nuclear dedicada al estudio de las reacciones nucleares. Estas reacciones a diferencia de las que ocurren en condiciones normales en la naturaleza, en nuestro organismo o en los laboratorios, se caracterizan, entre otros aspectos, por un gran desprendimiento o absorcin de energa. La utilizacin de las reacciones nucleares es uno de los ejemplos ms fehacientes de cmo un descubrimiento cientfico puede, en manos inescrupulosas, ser utilizado con fines de destruccin, como es el caso de las armas nucleares. Sin embargo, su utilizacin con fines pacficos y cumpliendo las medidas de proteccin establecidas permite la obtencin de energa elctrica en las plantas termonucleares.

1.5 Masa atmica relativa.La masa de los tomos es extremadamente pequea si se expresa en kilogramos y se hace muy difcil operar con esos nmeros, por ejemplo la masa de un tomo del istopo ms abundante del oxgeno es 26,5606.10-27 kg. Por este motivo las masas atmicas se han expresado en valores relativos a una unidad previamente escogida (y que ha variado en diferentes pocas) de manera que los valores resultantes sean nmeros muchos ms fciles de operar. Desde el ao 1961 fue aprobado por los organismos internacionales correspondientes utilizar como unidad de masa atmica la doceava parte de la masa del tomo de carbono 12 por lo que su valor es: 1,992684.1027 kg = 1,66057.1027 kg 12

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Para calcular la masa de cualquier tomo referida a esta unidad debemos dividir su masa en kilogramos entre la unidad de masa atmica. Por ejemplo, la masa atmica relativa del istopo 16 O es:2 6 ,5 6 0 6 .1 0 2 7 k g = 1 5 ,9 9 4 9 1, 6 6 0 5 7 .1 0 2 7 k g

Sin embargo, para hablar de la masa atmica de un elemento debemos tener en cuenta que generalmente estos son una mezcla de istopos, por lo que es preciso considerar la masa de cada istopo y su abundancia relativa. Por lo tanto, la masa atmica relativa de un elemento se define como la masa promedio de sus tomos comparada con la unidad de masa atmica. As por ejemplo, para calcular la masa atmica relativa del oxgeno debemos multiplicar la masa de cada istopo por su abundancia, sumar los tres valores obtenidos y dividirlo por la unidad de masa atmica:26,56061027 kg.0,99759 + 28,22807.1027 kg.0,000037 + 29,8889.1027 kg.0,00204 . = 15,9994 1,66057.1027 kg

La masa atmica relativa es una magnitud adimensional y se representa como Ar(X).(Tabla 1.4) Elemento Hidrgeno Carbono Nitrgeno Oxgeno Fsforo Ar(X) 1,0079 12,0111 14,0067 15,9994 30,9738

Tabla 1. 4 Masa atmica relativa de algunos elementos.

1.6 La representacin de la distribucin electrnica de los tomos.Desde el punto de vista qumico las partculas subatmicas ms importantes son los electrones ya que son los que intervienen en la unin de los tomos para formar la variedad de sustancias que conocemos. Entender cmo se describe el estado del electrn en el tomo permite comprender el comportamiento qumico de los elementos y de las sustancias que ellos forman. El movimiento de los electrones en el tomo es muy complejo. En la actualidad para describirlo se parte del hecho de que no es posible definir con exactitud la posicin del electrn8 y por tanto se habla de una regin alrededor del ncleo donde es mayor la probabilidad de encontrarlo en un instante dado. A esta zona se le denomina orbital atmico. Los orbitales atmicos se describen con la ayuda de los nmeros cunticos que son el resultado de un tratamiento matemtico muy complejo al considerar que el electrn (al igual que las restantes partculas subatmicas) tiene un comportamiento dual: de onda y de partcula.El principio de incertidumbre de Heisemberg (1901-1970) plantea que es imposible conocer simultneamente el momento (producto de la masa por la velocidad) y la posicin de una partcula con certidumbre.8

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Nmero cuntico principal. Se representa por la letra n y puede tomar valores enteros positivos mayores o igual que 1. Su valor est asociado con la distancia del electrn al ncleo y por tanto con el tamao del orbital atmico. Como la energa del electrn depende de su distancia al ncleo, el nmero cuntico principal caracteriza a los niveles de energa. As cuando hablamos de un nivel de energa nos estamos refiriendo al conjunto de orbitales con igual nmero cuntico principal. A partir de n = 1, en un mismo nivel de energa hay varios tipos de orbitales. Nmero cuntico secundario. Se representa por la letra l. Caracteriza a los subniveles de energa y la forma aproximada de los orbitales. Puede tomar valores que van desde o hasta n-1 y se representa por las letra s, p d y f. As por ejemplo, en el primer nivel de energa hay un solo orbital, el s que tiene forma esfrica. En el segundo nivel l puede tomar los valores 0 y 1 por lo que hay dos tipos de orbitales: el orbital s y el orbital p de forma lobular. (figura1.2) A los orbitales con igual valor de n y l se les llama subnivel de energa. As en el primer nivel de energa hay un solo subnivel, el 1s; mientras que en el segundo nivel hay dos subniveles, el 2s y el 2p. Nmero cuntico magntico. Se representa por la letra m y puede tomar valores desde -l hasta +l. Este nmero cuntico caracteriza a la orientacin espacial de los orbitales atmicos y da el nmero total de estos en cada subnivel de energa. Es decir, la cantidad de orbitales de cada subnivel vara en dependencia del valor de m. De esta manera en el primer nivel de energa donde l = 0 hay un solo orbital, el s que es esfrico y tiene por tanto una sola orientacin espacial, lo que se corresponde con que m tenga un solo valor que es cero.

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Figura 1.2 Representacin de los orbitales s y pEn el segundo nivel energtico l puede tomar valores 0 y 1 por lo que adems del orbital s (esfrico) hay orbitales de tipo p (lobulares). Para los orbitales s el valor de l es 0 por lo que el nmero cuntico secundario tiene un solo valor: 0 ya que los orbitales s al ser esfricos tienen una sola orientacin en el espacio. En el caso de los orbitales p cuyo valor de l es uno, el nmero cuntico magntico tiene valores igual a + 1, 0 y - 1 lo que significa que estos orbitales tienen tres orientaciones espaciales. Por tanto en el segundo nivel energtico hay 2 tipos de orbitales y en total 4 orbitales: un orbital s y tres orbitales p. En la tabla No.1.5 se resumen la cantidad y el tipo de orbitales que hay en cada uno de los niveles de energa. Nivel de energa (n) 1 2 3 4 Cantidad de subniveles de energa 1 2 3 4 Tipo de subniveles s sy p s, p y d s, p, d y f Total de Desglose de los orbitales orbitales 1 4 9 16 unos uno s y tres p uno s, tres p y cinco d uno s, tres p, cinco d y siete f

Valores de l 0 0y1 0, 1 y 2 0, 1, 2 y 3

Tabla 1.5 Niveles y subniveles de energa. (Hasta n=4)

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Nmero cuntico de espn. Los nmeros cunticos principal, secundario y magntico describen los orbitales atmicos. El nmero cuntico de espn describe el comportamiento de un electrn especfico y completa por tanto la descripcin de la distribucin de los electrones en el tomo. Al considerar a los electrones como pequeos imanes, se puede plantear que el electrn puede orientarse en un campo magntico en dos sentidos opuestos, por lo que el nmero cuntico de espn puede tener solamente dos valores que son + y - . De manera esquemtica esto puede representarse como . El conocimiento del significado de los nmeros cunticos permite representar la distribucin electrnica en niveles y subniveles de energa. Para ello se utiliza la notacin nlx donde n indica el nivel de energa, l el tipo de orbital o subnivel y x la cantidad de electrones en el subnivel. Para poder representar la distribucin electrnica por esta notacin es necesario adems de conocer el nmero atmico del elemento y la distribucin de orbitales en cada nivel, tener en cuenta el Principio de exclusin de Pauli, la Regla de Hund y el orden del llenado de los orbitales. Principio de exclusin de Pauli9: Plantea que al describir el estado de dos electrones en el tomo, estos no pueden tener iguales los valores de los cuatro nmeros cunticos. Este principio implica por lo tanto que en un mismo orbital no pueden existir ms de dos electrones los cuales tienen que tener espn opuesto. Conociendo el nmero de orbitales en cada nivel y que en cada uno de ellos solo puede haber dos electrones se deriva que la cantidad mxima de electrones en cada nivel es: Primer nivel Segundo nivel Tercer nivel Cuarto nivel Regla de Hund: De acuerdo con esta regla en los subniveles p, d y f los electrones se distribuyen de manera que exista el mximo nmero de electrones no apareados o lo que es lo mismo, tratando de ocupar el mayor nmero de orbitales disponibles Por ejemplo, si es necesario distribuir 3 electrones en los orbitales p del tercer nivel debe ubicarse un electrn en cada uno de los tres orbitales p, lo que se representa de la forma siguiente: 2 electrones 8 electrones 18 electrones 32 electrones

3px 1 3py1 3pz19

Wolfang Pauli (1900-1958). Fsico austraco. Premio Nbel de Fsica en 1945.

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Orden de llenado de los orbitales. La energa de un electrn en los tomos cuyo nmero atmico es mayor que uno (tomos multielectrnicos), depende no solo del nivel en que se encuentra sino tambin del tipo de orbital, es decir, existen diferencias energticas entre los subniveles de un mismo nivel. As por ejemplo, los orbitales 3d tienen una energa ligeramente superior al 4s, por lo que al distribuir los electrones primero se debe llenar el orbital 4s antes que el 3d (Figura 1.3). En la tabla 1.6 aparece la distribucin electrnica de los elementos de nmero atmico hasta Z=20.

Ejemplo 1. Helio Z = 2 Es necesario distribuir dos electrones. Se comienza siempre por el primer nivel de energa en el cual hay un solo orbital s en el que se ubican los dos electrones: He 1s2

Figura 1.3 Diagrama para el orden de llenado de los orbitales. 19

Ejemplo 2. Carbono Z = 6 Hay que distribuir 6 electrones, por lo que es necesario comenzar el llenado del segundo nivel de energa que tiene orbitales s y p. La representacin quedara aplicando la regla de Hund de la manera siguiente: C 1s2 2s2 2px12py12pz0 Que simplificadamente se puede representar como 1s2 2s2 2p2

Elemento Hidrgeno Helio Litio Berilio Boro Carbono Nitrgeno Oxgeno Flor Nen Sodio Magnesio Aluminio Silicio Fsforo Azufre Cloro Argn Potasio Calcio

Nmero atmico 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Distribucin electrnica 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s2 2p1 1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p4 1s2 2s2 2p5 1s2 2s2 2p6 1s2 2s2 2p6 3s1 1s2 2s2 2p6 3s2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Tabla 1.6 Representacin de la distribucin electrnica de los primeros 20 elementos.

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Ejemplo 3. Fsforo Z = 15 En este caso hay 5 electrones que deben ubicarse en el tercer nivel de energa ya que entre el primero y el segundo se admiten como mximo 10 electrones. La representacin sera: 1s2 2s2 2px22py22pz2 3s2 3px13py13pz1 De una manera simplificada quedara: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Ejemplo 4. Potasio Z = 19 Para poder representar la distribucin electrnica de este elemento es imprescindible tener en consideracin el diagrama de la figura 1.2 donde se observa que el llenado de los orbitales 4s es anterior a los 3d, independientemente que el tercer nivel est incompleto: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1

Ejemplo 5. Escandio Z =21 Una vez completado el orbital 4s se pasara a llenar los orbitales 3d: Sc 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2

1.7 La tabla peridica de 18 columnas.En los inicios del siglo XIX, cuando haban sido descubiertos 55 elementos, los qumicos comenzaron a observar e interesarse en las similitudes que existan en el comportamiento de algunos de ellos y a mediados de siglo tuvieron lugar los primeros intentos por clasificarlos. La clasificacin de los elementos que hoy conocemos se origin en los trabajos del cientfico alemn Lothar Meyer y fundamentalmente del ruso Dimitri I. Mendeleev, quienes de manera independiente, propusieron en 1869 las primeras versiones de la tabla peridica. Mendeleev tuvo adems la genialidad de dejar espacios en su tabla para elementos que an no haban sido descubiertos y de predecir sus propiedades. Lleg incluso a plantear que las propiedades de los elementos y de los compuestos que estos forman se repiten peridicamente con el incremento de sus masas atmicas, lo que fue el basamento para la formulacin, a principios del siglo XX, de la ley peridica. A la luz de nuestro conocimiento actual acerca de la estructura atmica la ley peridica se plantea como: las propiedades de los elementos son funciones peridicas de sus nmeros atmicos debido a la repeticin, cada cierto nmero de elementos, de estructuras electrnicas semejantes. La tabla peridica no es ms que la representacin grfica de la ley peridica. Existen diferentes modelos de tabla peridica, en nuestro curso nos referiremos a la de 18 columnas

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(Apndice 1) Esta tabla est estructurada en grupos y perodos y en ella los elementos estn situados en orden creciente de sus nmeros atmicos. Los perodos son las 7 hileras horizontales en los que estn los elementos que tienen el mismo nmero de niveles de energa y que tienen propiedades que van cambiando paulatinamente de uno a otro al irse incrementando la cantidad de electrones en el ltimo nivel. A continuacin se representan las configuraciones electrnicas del carbono, el nitrgeno y el oxgeno pertenecientes todos al perodo 2: 1s2 2s2 2p2 carbono 1s2 2s2 2p3 nitrgeno 1s2 2s2 2p4 oxgeno

Los grupos son las columnas verticales y se sealan con nmeros romanos del I al VIII y se subdividen en grupos A y grupos B. Los elementos pertenecientes a un mismo grupo tienen propiedades anlogas por la similitud que tienen en su configuracin electrnica. Un grupo muy ilustrativo en la similitud en sus propiedades son los elementos pertenecientes al grupo VIII A conocidos como gases nobles. Todos tienen su ltimo nivel de energa completo por lo que son muy poco reactivos y de ah que se conocen como gases nobles o inertes. Los tomos de estos elementos son los nicos que en la naturaleza no aparecen enlazados entre s ni con los de ningn otro elemento. A los elementos ubicados en los grupos A se les llama elementos representativos y se caracterizan porque el electrn diferenciarte de un elemento a otro se ubica en orbitales s o p. Para los elementos representativos el nmero del grupo coincide con la cantidad de electrones que tiene en el ltimo nivel energtico (Tabla 17) Elemento Sodio Potasio Nitrgeno Fsforo Configuracin electrnica 1s2 2s22p6 3s1 1s2 2s22p6 3s2 3p6 4s1 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 Grupo IA IA VA VA Perodo 3 4 2 3 Electrones en el ltimo nivel de energa 1 1 5 5

Tabla 1.7 Distribucin electrnica de elementos pertenecientes a unMismo grupo y diferente perodo. Los grupos B estn en el centro de la tabla. En ellos se ubican los elementos de transicin en los que el electrn diferenciarte se ubica en orbitales d del nivel anterior al

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perodo que corresponde. El hierro pertenece al grupo VIII B y es uno de estos elementos. Su distribucin electrnica es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 Fuera de la tabla se colocan los llamados elementos de transicin interna o similares, que se subdividen en lantnidos y actnidos en los que el electrn diferenciarte se coloca en orbitales f de dos niveles ms internos del perodo que les corresponde.

1.8 Variacin de las propiedades atmicas en la tabla peridica.Los elementos en su estado atmico, es decir, cuando no estn enlazados entre s o a los de otros elementos se caracterizan por una serie de propiedades que varan peridicamente, debido a que las configuraciones electrnicas se repiten peridicamente con el incremento del nmero atmico, y que permiten explicar el comportamiento de estos y de las sustancias que forman. Entre estas propiedades estn: el radio atmico, la energa de ionizacin, la electro afinidad y la electronegatividad. Radio atmico. Es prcticamente imposible medir el tamao de los tomos de manera aislada. Es necesario hacerlo a partir del estudio de determinada sustancia, en la que se encuentran en vecindad de otros tomos. Sin embargo, es posible determinar las distancias de enlace. Es por ello que se considera el radio atmico como la mitad de la distancia entre los ncleos de dos tomos enlazados entre s. Por ejemplo, la distancia entre los ncleos de dos tomos de flor, enlazados en la molcula F2 es de 198 PM por lo que se asume que la mitad de ese valor es el radio atmico del flor. Cuando el tomo de un elemento est unido al de otro, su tamao vara ligeramente. Como tales variaciones son muy pequeas, se le asigna un valor fijo a cada elemento10. (Tabla 1.8) En un grupo de la tabla peridica el radio atmico aumenta con el incremento del nmero atmico debido a que aumenta la cantidad de niveles de energa. En un perodo al aumentar el nmero atmico se produce una disminucin del radio atmico. Para explicar esta variacin es necesario tener en cuenta que el nmero de niveles energticos permanece constante mientras que aumenta la carga nuclear. Debido al aumento de la carga del ncleo los electrones son ms atrados por este y por ello se produce una contraccin de la nube electrnica con la consecuente disminucin del tamao del tomo.

Periodo 2

elemento radio atmico elemento

IA Li 152 Na

IIA Be 112 Mg

Grupos IIIA IVA VA B C N 98 Al 91 Si 70 P

VIA O 73 S

VIIA F 71 Cal

En muchos libros el radio atmico aparece expresado en angstrom(1 A0 = 10-10 m). En el Sistema Imternacioanal de unidades se registran en nanmetros (1nm=10-9 m) o en picmetros(1pm=10-12m).

10

23

Periodo 3

radio atomic

186

160

143

132

128

127

99

Tabla 1. 8 Radios atmicos de algunos elementos en pirmetros Energa de ionizacin. La energa de ionizacin es la energa mnima necesaria para arrancar el electrn menos fuertemente retenido por el ncleo de un tomo gaseoso y aislado: X (g) + energa X+(g) + e Esta magnitud da una medida de la facilidad de un tomo para convertirse en catin. Mientras mayor es su valor significa que el tomo cede con mucha dificultad un electrn. Al ser una energa que es necesario suministrar se le asigna por convenio un valor positivo. (Tabla 1.9) En un grupo de la tabla peridica al aumentar el nmero de niveles energticos la energa de ionizacin disminuye. Esto es debido a que el aumento del tamao del tomo hace que la atraccin sobre el electrn ms externo sea menor y por tanto disminuye la energa que se requiere para separarlo del tomo.

Element

Li

Be

B

C

N

O

F

Energa de ionizacin Elemento

520

900

800

1086

1402

1314

1681

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Energa de Ionizacin

495,8

737,6

557,4

786,2

1012

999,6

1255

Tabla 1.9 Valores de la Energa de Ionizacin de algunos elementos (kJ.mol-1). En un perodo existe la tendencia de un aumento de la energa de ionizacin al incrementarse el nmero atmico debido a que disminuye el radio atmico. La explicacin del comportamiento diferente de algunos elementos no es objetivo de este libro. Electro afinidad. La electro afinidad es la energa asociada al proceso de ganancia de un electrn por un tomo gaseoso y aislado. A diferencia de la energa de ionizacin, la electro afinidad por lo general se desprende y por tanto se le asignan valores negativos. Mientras ms negativo es su

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valor, mayor es la tendencia del tomo a aceptar un electrn y formar el anin correspondiente. (Tabla 1.10).Estos valores generalmente aumentan en un perodo con el incremento del nmero atmico. En los grupos no siempre es posible describir su comportamiento.

Elemento Hidrgeno Carbono Oxgeno Flor

electro afinidad 77 -123 -142 -333

Elemento Sodio Magnesio Fsforo Calcio

electro afinidad -53 +230 -74 +154

Tabla 1. 10 electro afinidad de algunos elementos (kJ.mol-1) Electronegatividad. Otra propiedad de los elementos, de gran aplicacin en el estudio del enlace qumico, es la electronegatividad que fue definida por L. Paulina11 como el poder de atraccin que un tomo ejerce sobre los electrones del enlace. Mientras que la energa de ionizacin y la electro afinidad se pueden medir experimentalmente, la electronegatividad es un nmero relativo y no es medidle en una forma simple y directa. En 1932 L. Paulina propuso su escala de electronegatividad (que es la ms usada) a partir de determinados datos experimentales.(Tabla 1.11) La variacin de esta propiedad en la tabla peridica est vinculada con la del tamao del tomo. En un grupo al aumentar el nmero atmico aumenta el tamao del tomo. Con el incremento del tamao del tomo disminuye el poder de atraccin sobre los electrones del enlace y por tanto decrecen los valores de la electronegatividad. En un perodo los valores de la electronegatividad aumentan ya que con el aumento del nmero atmico y la disminucin del radio atmico, la atraccin sobre los electrones del enlace es mayor. Elemento H IL Na Mg Ca Al Electronegatividad 2,1 0.9 0,85 1,3 1 1,6 Elemento Electronegatividad C 2,5 N 3 P 2,1 O 3,5 S 2,5 F 4 Cl 3,1

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Linus Carl Pauling.(1901-1994) Qumico estadounidiense. Premio Nbel de Qumica en 1954 y Premio Nbel de la Paz en 1962. Este cientfico y Mara Curie son las dos nicas personas que han recibido dos Premios Nbel.

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Tabla 1.11 Valores de la electronegatividad de algunos elementos Segn la escala de Paulina.

1.9 Clasificacin de los elementos.Los elementos se clasifican de acuerdo con sus propiedades en tres grupos: metlicos, no metlicos y metaloides. La mayora de los elementos que existen en la naturaleza son metlicos, de hecho todos los elementos de transicin son considerados metlicos. El carcter metlico de un elemento se define por un conjunto de propiedades entre las que se encuentran: Sus tomos son relativamente grandes. Tienen valores relativamente bajos de la energa de ionizacin y por tanto relativa facilidad para ceder electrones y formar cationes. Son poco electronegativos. Sus sustancias simples son slidas a TPEA12 (excepto el mercurio), buenas conductoras de la electricidad y el calor, dctiles y maleables. En la tabla peridica el carcter metlico de los elementos disminuye en un perodo con el aumento del nmero atmico, mientras que en un grupo aumenta. De esta manera los elementos ms metlicos se localizan en la parte inferior izquierda de la Tabla Peridica, mientras que los no metlicos estn ubicados en la parte superior derecha. Los elementos no metlicos son solamente 17 considerando al hidrgeno y a los gases nobles. Se caracterizan por tener tomos relativamente pequeos, altos valores de la energa de ionizacin, ser muy electronegativos y ganar electrones con relativa facilidad. Todos los elementos no metlicos son representativos. Las sustancias simples de estos elementos se caracterizan por tener relativamente bajas temperaturas de fusin y ebullicin (excepto el carbono) por lo que algunas son slidas, otras lquidas o gaseosas y adems son malas conductoras del calor y la electricidad. Los metaloides o semimetales tienen propiedades intermedias entre los elementos metlicos y no metlicos. As por ejemplo, sus sustancias simples, a diferencia de lo que ocurre en los metales, conducen mejor la corriente elctrica con el aumento de la temperatura. Ejemplo de este tipo de elemento son el boro, el germanio, el silicio y el selenio.

RESUMENLos tomos son partculas extremadamente pequeas, elctricamente neutras, constituidas por un ncleo y la envoltura. Los protones y neutrones estn en el ncleo y los electrones en la envoltura. Los electrones son los que participan en la unin entre los tomos. El nmero atmico es igual a la cantidad de protones que hay en el ncleo. El ndice de masa es igual a la suma de los protones y los neutrones.12

Temperatura y presin estndar ambiente: 250 C y 101,3 kPa (1 atm)

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Al conjunto de tomos con igual nmero atmico se le denomina elemento qumico. Los istopos son tomos de un mismo elemento qumico pero que difieren en el nmero de neutrones que tienen en el ncleo. La masa atmica relativa de un elemento es la masa promedio de sus tomos comparada con la unidad de masa atmica. Un orbital atmica es la regin donde es mayor la probabilidad de encontrar al electrn en su movimiento alrededor del ncleo. La representacin de la distribucin electrnica por la notacin nlx indica la cantidad de electrones que hay en cada nivel y subnivel de energa. Las propiedades de los elementos se repiten peridicamente al aumentar el nmero atmico debido a la repeticin de estructuras electrnicas semejantes. En la tabla peridica los elementos estn situados en orden creciente de sus nmeros atmicos en grupos y perodos. Los elementos pertenecientes a un mismo grupo tienen similitud en sus propiedades, mientras que en los perodos las propiedades varan gradualmente. Los elementos de acuerdo con sus propiedades y las de los compuestos que estos forman se clasifican en metlicos, metaloides y no metlicos. La mayora de los elementos son metlicos.

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CAPTULO 2. EL ENLACE QUMICOUna mirada a nuestro alrededor nos dar conciencia de la diversidad en el mundo que nos rodea: millones de diferentes sustancias, de todos los colores y texturas imaginables y con variadsimas propiedades, entre las cuales hallamos gases, lquidos y slidos. Toda esta diversidad se forma solamente a partir de un centenar de tipos de tomos, esto es, algo ms de cien elementos qumicos Cmo explicar todo lo anterior?, Cmo comprender que, a partir de tan reducido nmero de bloques fundamentales, la materia muestre ante nosotros tan dismiles rostros? La posibilidad que tienen los tomos de formar agregados mayores al unirse entre s, es lo que explica las interrogantes planteadas. El mundo que nos rodea est constituido casi por completo de compuestos y mezclas de estos: las rocas, el suelo, el petrleo, el agua, el aire y el cuerpo humano; todos ellos son mezclas de compuestos qumicos en los cuales diferentes tipos de tomos se encuentran unidos entre s. Sustancias que estn formadas por tomos individuales son muy raras en la naturaleza (nicamente los gases nobles estn constituidos por tomos aislados). En este captulo estudiaremos las fuerzas que mantienen unidos a los tomos de los diferentes elementos para formar las sustancias de nuestro mundo, a estas fuerzas le llamaremos enlace qumico. Las sustancias puras son aquellas que no estn mezcladas con otras (lo que resulta difcil y complejo en la prctica) y que poseen propiedades constantes tales como la densidad y las temperaturas de fusin y de ebullicin, en unas condiciones de presin y temperatura determinadas Las propiedades organolpticas: el color, el olor, el sabor y otras propiedades como la solubilidad en agua o en otra sustancia, la densidad, la temperatura de fusin y de ebullicin, la dureza, la conductividad de la corriente elctrica y del calor, la maleabilidad, la ductilidad y el brillo son propiedades fsicas de las sustancias. Las propiedades permiten caracterizar a las sustancias y establecer semejanzas y diferencias entre ellas. Entonces debemos preguntarnos: Por qu y cmo los tomos se unen entre s para formar la gran variedad de sustancias que hoy conocemos?, Existir relacin entre algunas propiedades caractersticas de las sustancias y el tipo de unin existente entre los tomos que la forman? Estas interrogantes son fundamentales en el estudio de la qumica, pues los cambios qumicos son esencialmente procesos donde se cambian unos enlaces por otros.

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2.1 El enlace qumico. ClasificacinNo hay una respuesta simple ni completa para explicar qu es un enlace qumico, pero en trminos generales podemos definir al enlace como las fuerzas que mantienen unidos a dos o ms tomos y hacen que funcionen como una unidad. As, ha podido comprobarse que, por ejemplo el dioxgeno es una sustancia que esta formada por diminutos agregados que incluyen cada uno de ellos, dos tomos enlazados de este elemento. Por otra parte, el agua est constituida tambin por pequesimos agregados de tomos, en este caso dos correspondientes al hidrgeno y uno al oxgeno. Estos agregados son designados con el nombre de molculas. Por el contrario se sabe de la existencia de otras muchas sustancias que nos son familiares y no estn constituidas por molculas como es el caso de los metales, la sal comn (cloruro de sodio), etc. Por qu se enlazan los tomos? Para que exista interaccin entre los tomos es necesario que estos se pongan en ntimo contacto. Como las partes de los tomos que entran en contacto son las que se haya en su periferia (la envoltura) es evidente que la formacin de enlaces qumicos depende de los electrones. Adems, existe un principio que establece que cuanto menor sea el contenido energtico de un sistema, mayor ser la estabilidad del mismo. En general varios tomos aislados constituyen un sistema de elevado contenido energtico. Si estos tomos se unen formando molculas u otro tipo de agregado, se liberar cierta cantidad de energa, con lo que la estabilidad del sistema aumenta. La unin entre dos tomos se considera un enlace qumico cuando intervienen los electrones de dos o ms orbitales atmicos de ambos tomos, de manera que se forma una nueva estructura que determina la existencia de especies qumicas nuevas y estables con propiedades caractersticas. Cuando se produce un enlace qumico hay un desprendimiento de energa en el sistema atmico. El enlace qumico tiene su origen en la tendencia de los tomos a adquirir configuraciones electrnicas de mayor estabilidad. Esta tendencia la satisfacen los tomos al unirse y parear sus electrones que no estn previamente pareados. En muchas ocasiones esa configuracin de mayor estabilidad corresponde a cuatro pares de electrones en el nivel ms externo como la que presentan la casi totalidad de los gases nobles y que manifiestan un comportamiento qumico relativamente inerte (con excepcin del Helio que tiene una configuracin electrnica 1s2, cada gas noble tiene ocho electrones con una distribucin ns2np6 en su nivel energtico principal ms elevado). Es lgico que de lo anterior se extraiga la conclusin de que los tomos de los elementos qumicos que no sean gases nobles interacten para formar estructuras estables, en tanto que estos ltimos son inertes por poseer esas estructuras de gran estabilidad. Como quiera que al interactuar dos tomos solo sus porciones ms externas se ponen en contacto a los efectos del enlace, solamente interesar conocer la configuracin electrnica ms externa (electrones de valencia), para lo cual emplearemos un tipo especial de notacin conocida con el nombre de smbolo de Leis13 (Tabla 2.1.). Estas representaciones estn formadas por el smbolo del elemento rodeado por un nmero de puntos o cruces, cada uno de los cuales representa un electrn presente en el ltimo nivel de energa (capa de valencia).13

Gilbert Newton Lewis (1875-1946). Notable fsico americano, profesor en la Universidad de California

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Tabla 2.1. Representacin de la estructura de Leis de algunos tomos Observe que la estructura electrnica de Leis propuesta para el tomo de carbono no es la esperada. Sin embargo, la experiencia demuestra que el comportamiento del carbono, en la mayora de sus compuestos se corresponde como si tuviera cuatro electrones no pareados, como se justificar en el Captulo 7. Hay muchas maneras en que los tomos interactan con otros y entre s para formar distintos tipos de agregados atmicos, inicos o moleculares. Existen tres tipos de uniones o enlaces qumicos fundamentales que se pueden caracterizar a partir de las propiedades que presentan las sustancias, estos son: el enlace inico (o electro Valente), el enlace covalente, el enlace metlico. Para estudiar estos tipos de enlaces se establecen modelos, y por tanto no son absolutos. Los enlaces puramente inicos o covalentes son casos extremos que no se dan de forma exacta en

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la realidad; la mayora de los enlaces tienen propiedades intermedias, aunque ms cercanas a uno u otro extremo.

2.2. Enlace inicoLas sustancias inicas se encuentran en gran diversidad en la naturaleza, la sal comn (Nac.) es uno de estos compuestos. Cuando el cloruro de sodio se funde conduce la corriente elctrica lo que demuestra la existencia de cargas elctricas en su seno que estn en movimiento. Por lo tanto suponemos que hay presentes iones sodio (Na+) e iones cloruros (Cl-). Cmo explicar esto desde el punto de vista del enlace qumico? En 1916 de manera independiente los cientficos Walter Dosel y Gilberto Leis concluyeron que los tomos al enlazarse entre s ganan, pierden o comparten electrones para adquirir la configuracin estable de un gas noble, por lo que de acuerdo con esta regla (que no se cumple en numerosos casos) la tendencia de los tomos a completar una capa de 8 electrones puede satisfacerse a travs de la formacin de iones. Los iones son tomos cargados positiva o negativamente. Los iones positivos se llaman cationes y los negativos aniones. As, de acuerdo con esta regla, al ponerse en contacto los tomos de cloro con los de sodio, se produce una transferencia de electrones entre estos tomos a causa de la baja energa de ionizacin del sodio y la elevada electroafinididad del cloro, de ah que el electrn 3s del sodio (Na 1s2 2s2 2p6 3s1) pase a completar el orbital 3p del cloro (Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 3p2 3p1), formndose los iones Na+ y Cl- que quedan unidos por una atraccin de tipo electrosttica, es

decir, entre ellos se establece un enlace inico. Los tomos han tendido a completar la ltima capa. El sodio, al perder el electrn y el cloro al ganar uno. Este comportamiento ocurre en todos los casos, ya que el nmero de electrones ganados y perdidos por los tomos debe ser igual al formar un enlace inico; el compuesto resultante es neutro. Segn la estructura de Lewis tendremos:

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Otro ejemplo de enlace inico es el producido en el xido de magnesio

La fuerza de enlace de la cual resultan tales combinaciones son bastante intensas debido a la atraccin elctrica entre iones cargados de signos contrarios, y los compuestos resultantes de tales combinaciones reciben el nombre de compuestos inicos o electrovalentes. Las caractersticas del enlace formado permiten explicar muchas de sus propiedades como veremos posteriormente (Epgrafe 2.7.1) Los compuestos inicos tpicos se producen entre tomos de baja energa de ionizacin (metlicos) y tomos de elevada afinidad electrnica (no metlicos), es decir entre tomos de los elementos de los grupos I-A y II-A con tomos de los elementos de los grupos VI-A y VII-A de la tabla peridica, que difieren mucho en sus electronegatividades. El mecanismo de este tipo de enlace implica la transferencia electrnica del tomo menos electronegativo al ms electronegativo y la posterior atraccin electrosttica de los iones formados. He aqu la esencia de una de las formas de unin de los tomos. La fuerza atractiva entre los iones positivos y los negativos se extiende en todas las direcciones del espacio, cada ion se rodea de otros de carga opuesta y as se va formando una estructura regular y ordenada que es lo que se conoce como cristal inico y no podemos en este caso hablar de la existencia de molculas. Este cristal inico forma una red cristalina que no es ms que una estructura de los slidos en la cual las partculas que lo forman (tomos, iones o molculas) se distribuyen en el espacio interior del slido de manera regular, ocupando posiciones fijas dando lugar a una figura geomtrica especfica. Esta disposicin de forma regular y ordenada constituye la red cristalina del slido y es caracterstica para cada tipo de sustancia. Por ejemplo el cloruro de sodio, presenta la siguiente estructura, en la que debe existir una neutralidad elctrica.

A

B

Figura 2.1. Estructura del cloruro de sodio (NaCl). (A) se indican las porciones (centros) de los iones. (B) se representan los iones como esferas empacadas

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En el cloruro de sodio, el ion sodio tiene un radio prcticamente igual a la mitad que del ion cloruro y el empaquetamiento de los iones da lugar a que cada ion sodio se rodee de seis iones cloruro y cada ion cloruro, anlogamente, de seis iones sodio, formndose as el cristal. Los cristales de cloruro de sodio pueden tener un mayor o menor nmero de iones, en dependencia de su tamao, pero en todo los casos por cada ion cloruro hay un ion sodio; de ah que su carga elctrica resultante es nula. No todos los compuestos inicos al estado slido adquieren la configuracin espacial de sus iones en el cristal como en el NaCl, ya que los iones se acomodan en la red cristalina de forma tal que se alcance la estructura espacial ms estable del compuesto. El conocimiento de la estructura cristalina es de gran importancia, puesto que permite explicar la mayora de las propiedades fsicas y qumicas que presentan las sustancias.

2.3. Enlace covalenteLa electrovalencia (enlace que se obtiene por transferencia total de electrones) resulta insuficiente para explicar la formacin de ciertas sustancias que son evidentemente no inicas tales como H2, O2, Cl2, H2O, CO2, NH3, etc., y la gran mayora de los compuestos del carbono. 2.3.1. Formacin del enlace covalente. Enlace covalente mltiple. Covalencia Consideremos, por ejemplo, la formacin de la molcula de dicloro (Cl2). Cada tomo de cloro tiene tres pares de electrones y un electrn no pareado en su ltimo nivel; necesita, pues, un electrn para obtener la configuracin electrnica estable del gas noble argn. Siendo los dos tomos de cloro idnticos no existe ninguna razn que justifique que uno de los tomos se transforme en ion. Cmo podra cada tomo de cloro adquirir su configuracin electrnica estable? Este requisito queda satisfecho si el electrn de un tomo de cloro entra en la esfera de accin de otro, compartiendo ambos tomos el par de electrones:

Este tipo de unin en el cual los electrones se comparten entre dos tomos se denomina enlace covalente. La fuerza de esta unin depende de la interpenetracin de las nubes electrnicas de ambos tomos. Es muy usual sustituir cada par de electrones que se comparte entre dos tomos por una raya, obviando el resto de los electrones, por lo que la estructura anterior quedara representada as: Cl Cl. Hemos analizado la formacin de un enlace sencillo, es decir aquel en que se comparte un solo par de electrones entre los tomos, como en el dicloro. A veces en la formacin de los enlaces covalentes, para satisfacer la regla del octeto y los requerimientos de covalencia, es frecuente que dos tomos tengan que compartir ms de un par de electrones. Esto conduce al concepto de enlaces mltiples. Si los pares compartidos son dos, se obtiene un doble enlace; si son tres, un triple enlace. Veamos un caso. Del anlisis de la estructura electrnica de un tomo de oxgeno (Tabla 2.1) se concluye que tiene seis electrones de valencia; dos de ellos desapareados, por lo que, por ejemplo, la formacin de la molcula diatmica de dioxgeno se puede explicar por la comparticin de dos de los electrones de valencia aportados por cada tomo, formndose un enlace covalente doble entre los tomos de oxgeno:

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dioxgeno (O2)

Es evidente que se completa as el octeto de electrones para cada tomo. Sin embrago, ciertas propiedades de la molcula de dioxgeno permiten asegurar que la estructura electrnica de esta molcula no tiene dos pares de electrones compartidos, como se sugiere teniendo en cuenta la estructura de sus tomos, sino que se le atribuye una estructura especial que no es objetivo de este curso. Por ltimo podemos plantear que no se conoce el caso de un enlace mltiple de ms de tres pares electrnicos y que las molculas que poseen exclusivamente enlaces simples, reciben el nombre de saturadas y las que contienen enlaces mltiples, no saturadas. Los enlaces covalentes pueden tambin formarse entre tomos de distintos elementos debido al pareamiento de electrones, como se muestra en los ejemplos siguientes:

Sobre las representaciones anteriores se pueden hacer dos importantes reflexiones: 1) En estos casos de enlaces covalentes, en que se comparten electrones, los tomos de F, O, N y C adquieren configuracin de 8 electrones en el ltimo nivel (regla del octeto) correspondiente a la estructura electrnica ms externa del gas noble nen, y el hidrgeno 2 que se corresponde con 34

la estructura electrnica del gas noble helio. O sea, en ocasiones los tomos tienden a compartir electrones para adquirir la configuracin del gas noble ms cercano, que pertenece a su propio perodo o al perodo anterior de la tabla peridica (Tabla 2.2).

Tabla 2.2. Smbolos de Lewis de algunos elementos 2) Como se observa en los compuestos formulados, los tomos de un elemento no se unen en todos los casos con igual nmero de tomos de otros elementos. Esta es una caracterstica importante de los tomos; su capacidad para unirse a otros. Al nmero de enlaces covalentes formados por un tomo se le llama covalencia o valencia. El tomo de hidrgeno se tom como unidad para medir la valencia de los dems, ya que generalmente no se une a ms de un tomo de cualquier otro elemento, asignndosele la valencia 1, de ah que la cantidad de tomos de hidrgeno con que se une un tomo de otro elemento determina la valencia de ste; as el nmero de enlaces covalentes que comnmente forman los tomos de hidrgeno y los halgenos (F, Cl, Br, I) es 1; oxgeno 2; nitrgeno 3 y el carbono 4. Entonces el hidrgeno y los halgenos son monovalentes, el oxgeno divalente, el nitrgeno trivalente y el carbono tetravalente. La valencia de los tomos de los elementos, al igual que sus propiedades, depende ante todo, de la estructura de las capas electrnicas externas de sus tomos. De esto se deriva que en cada caso la valencia es igual al nmero de electrones que el tomo necesita para tener la misma cantidad que un gas noble. El mecanismo de electrones compartidos entre dos tomos constituye la esencia del modelo del enlace covalente. Este tipo de enlace se establece fundamentalmente entre tomos de elementos no metlicos, y las sustancias que la presentan se les llama sustancias covalentes.Desde el punto de vista biolgico el enlace covalente es el de mayor inters pues es el que predomina en las sustancias indispensables para la vida.

2.3.1.1. Enlace covalente coordinado

Hay veces que el enlace covalente se produce aportando uno de los tomos los electrones del enlace; en este caso se denomina enlace coordinado o dativo. Algunos ejemplos de este tipo de enlace son:

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Es decir, la formacin del ion amonio (NH4+) a partir del amonaco (NH3), y del ion hidronio (H3O+) a partir del agua (H2O), puede explicarse considerando que el ion H+ o ncleo del tomo de hidrgeno, comparte con el nitrgeno del NH3 el par de electrones no compartidos y forma un enlace covalente adicional en el NH4+, o con uno de los pares solitarios no compartidos del oxgeno del H2O. En el caso de los iones NH4+ y H3O+ se cumplen, para el nitrgeno y el oxgeno, la regla del octeto, y el hidrgeno completa la configuracin del helio. Los cuatro enlaces H N del NH4+ y los tres enlaces H O del H3O+ son realmente equivalentes, una vez formados. El tomo que aporta el par de electrones se le llama donador y al que lo recibe receptor o aceptor, lo que resulta posible porque los electrones pareados que tiene un tomo en su ltimo nivel de energa es aceptado por el orbital vaco del otro tomo, establecindose as el enlace a expensa del par de electrones compartido. 2.3.1.2. Cristales covalentes y cristales moleculares Del anlisis de las propiedades de las sustancias con enlaces covalentes se derivan dos grandes grupos. Un primer grupo la comprenden aquellas sustancias que se presentan a temperatura ambiente en forma de cristales atmicos, donde los enlaces por pares de electrones entre los tomos se extienden en todas las direcciones del espacio, por lo que no estn formadas por grupos que constituyan molculas aisladas, sino que el cristal que se forma se comporta como una nica molcula gigante en la que los tomos se unen mediante fuertes enlaces covalentes. Como ejemplos de cristales atmicos covalentes podemos citar al diamante (Figura 2.2), constituido por tomos de carbono (C) y al dixido de silicio (SiO2).

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Figura 2.2. Estructura cristalina del diamante En el segundo grupo las sustancias presentan una estructura molecular, tal como el dioxgeno (O2), dicloro (Cl2), diyodo (I2), dixido de carbono (CO2), agua (H2O), alcohol etlico (C2H5OH), azcar (C12H22O11), etc, y estn formadas, a diferencia de las sustancias comprendidas en el primer grupo, por agregados de tomos que forman molculas aisladas que interaccionan entre s. Cada agrupacin definida de tomos considerada como una molcula constituye una unidad o especie independiente, pero las propiedades de las sustancias que ellas forman dependen en gran medida de sus interacciones. As, por ejemplo, el estado de agregacin a temperatura ambiente que presentan estas sustancias no es el resultado del enlace en s, sino que se debe a las interacciones moleculares y a la intensidad de estas, obtenindose, por lo tanto, sustancias gaseosas (O2, Cl2, CO2), lquidas (H2O, C2H5OH) y slidas (I2, C12H22O11). En el caso en que la sustancia sea un slido como por ejemplo el diyodo, se formar un cristal molecular.

Figura 2.3. Red cristalina molecular del diyodo (I2) En las redes cristalinas moleculares las molculas ocupan posiciones fijas donde siguen un orden determinado y se mantienen unidas debido a las fuerzas de atraccin que se ejercen

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entre ellas. Estas fuerzas no son direccionales y, por lo tanto, las estructuras de estos slidos cristalinos estarn basadas en factores geomtricos. Las sustancias covalentes, por lo tanto, se pueden diferenciar atendiendo al tipo de partculas por las que estn constituidas en atmicas o moleculares. Este aspecto, entre otros, que forma parte del anlisis estructural de una sustancia repercute en sus propiedades (Epgrafe 2.7.2). 2.3.2. Parmetros de enlace El avance notable del desarrollo de la teora del enlace qumico y de la qumica estructural ha permitido acumular una gran cantidad de informacin a partir de la aplicacin de nuevas tcnicas experimentales, basadas generalmente en mtodos fsicos: difraccin de rayos X, difraccin de electrones, espectroscopa molecular, entre otros. A continuacin consideraremos las magnitudes fsicas que permiten caracterizar a un enlace qumico en las molculas individuales, segn las teoras actuales. 2.3.2.1. Longitud de enlace La longitud de enlace es la distancia promedio entre los ncleos de dos tomos enlazados. En la Tabla 2.3 se indican las longitudes de algunos de los enlaces ms comunes. Enlace H2 O2 N2 OH CH CC C=C CC Longitud (nm) 0,074 0,120 0,109 0,096 0,105-0,109 0,154 0,134 0,120

Tabla 2.3. Longitud de algunos enlaces Las longitudes de enlace son datos experimentales que guardan tambin relacin con la fortaleza y las propiedades del enlace. Como se observa en la tabla, la distancia de enlace depende de los tomos enlazados y de la multiplicidad del enlace. En muchos casos la mayor fortaleza de los enlaces est relacionada con menores distancias. Las distancias de enlace disminuyen cuando se producen enlaces dobles o triples entre los tomos. La longitud de enlace entre dos tomos es prcticamente la misma, independientemente de la sustancia de que se trate (Tabla 2.4).

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Enlace OH en el H2O OH en el H2O2 (perxido de hidrgeno) OH en el CH3OH (alcohol metlico) OH en el HCOOH (cido frmico)

Longitud (nm) 0,096 0,097 0,096 0,096

Tabla 2.4. Distancias de enlaces similares en diferentes compuestos 2.3.2.2. ngulo de enlace Es el ngulo interno formado cuando se cortan los segmentos de recta hipotticos que unen los ncleos de los tomos que se enlazan. As para las molculas triatmicas (CO2, H2O, etc.) y ms complejas (BCl3, NH3, CH4, etc.) es posible plantear ms de una configuracin (Figura 2.4). Observe que las molculas triatmicas pueden tener forma lineal o angular. En realidad, para poder hablar de ngulos de enlace se requieren tres tomos, uno de los cuales constituye el vrtice de dicho ngulo. Para especies an ms complejas existen otras estructuras geomtricas. Los ngulos de enlace, al igual que las longitudes de enlace se pueden determinar experimentalmente por difraccin de rayos X. 2.3.2.3. Energa de enlace Como medida de la fortaleza del enlace puede servir la cantidad de energa necesaria para su ruptura, la cual viene dada por la entalpa de enlace. Un enlace es ms fuerte cuanto mayor es la energa que se libera en su formacin; aunque no es solo el factor energa de enlace, el que debe tenerse en cuenta al analizar la mayor o menor fortaleza de un enlace entre dos tomos. La energa de ruptura del enlace es siempre positiva, mientras que la energa de formacin del enlace es la misma en magnitud, pero de signo contrario. Para las molculas diatmicas, la energa de enlace por su magnitud es igual a la energa de disociacin (HD). Ejemplos: H2 (g) 2 H (g) HD (H2) = 431,89 kJ/mol 2 O (g) HD (O2) = 489,64 kJ/mol O2 (g) N2 (g) 2 N (g) HD (N2) = 942,88 kJ/mol Estas energas se expresan en kilojoule por mole de enlaces rotos y por convenio cuando este valor es positivo, significa que es absorbida o sea, que hay que suministrarla, y cuando es negativa se libera o se desprende esa energa.

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ngulo de enlace < 1800 ngulo de enlace = 180 Ejemplo: CO2 1800 104,500

Ejemplo: H2O

ngulo de enlace = 1200 Ejemplo: BCl3 ngulo de enlace < 1200 Ejemplo: NH3 ngulo de enlace = 109,50 Ejemplo: CH4

1200

106,50 109,50 Figura 2.4. ngulos de enlace para algunas molculas

Para molculas poliatmicas de un solo tipo de enlace, por ejemplo, para la molcula de CH4, la energa media de enlace se define como la cuarta parte de la energa necesaria para disociar un mole de CH4 al estado gaseoso, a sus tomos componentes neutros, tambin al estado gaseoso, o sea:

E = energa que se emplea en romper los cuatro enlaces entre el tomo de carbono y los cuatro tomos de hidrgeno. E Energa media del enlace C H = 4 40

Como E = 1653 kJ/mol, la energa media (promedio) de cada enlace C H ser 413 kJ/mol. Durante el paso de un enlace simple a uno doble o triple (entre los mismos tomos) la energa de enlace crece lo que indica que el enlace se fortalece con el aumento de su multiplicidad (Tabla 2.5) y, como consecuencia, con la disminucin de las distancias interatmicas. Tipo de Longitud de enlace Energa media de enlace enlace (nm) (kJ.mol-1) CC 0,154 348 C=C 0,134 615 CC 0,120 812 CH 0,105-0,109 413 CF 0,140 484,5 C Cl 0,176 328,4 C Br 0,191 275,7 CI 0,212 240,2 Tabla 2.5. Distancia y energa media de algunos enlaces Hagamos un anlisis de la variacin de energa de enlace en la serie CX (X: F, Cl, Br, I) correspondiente a los ltimos cuatro ejemplos que se ilustran en la tabla 2.5. Podemos concluir, sin temor a equivocarnos, que la disminucin de la energa de enlace en la serie est condicionada por el debilitamiento de los enlaces con el aumento de la distancia internuclear carbono-halgeno. La energa de enlace disminuye con el aumento de la longitud del enlace y viceversa. 2.3.3. Enlace sigma () y enlace pi () Una descripcin simple de la formacin de los enlaces sigma () y pi () entre los orbitales atmicos puros s y p permitir la posterior generalizacin de estos conceptos a otros tipos de orbitales. 2.3.3.1. Caractersticas y tipos del enlace sigma () La descripcin ms sencilla de una interpenetracin o enlazamiento sigma es la siguiente: es la que ocurre sobre el eje imaginario que une los ncleos de los tomos enlazados y que contiene a dicho eje (solapamiento frontal de los orbitales). En la Figura 2.5 se muestra el enlazamiento sigma entre orbitales (s-s), (p-p) y (s-p).

eje s (a) s (c) s

eje p (b) p

p 41

eje

Figura 2.5. Ilustracin grfica del enlazamiento sigma: a) (s-s); b) (p-p); c) (s-p) Analicemos ahora a travs de ejemplos, la naturaleza del enlace sigma entre los tomos que se enlazan para formar la molcula de dihidrgeno (H2), diflor (F2) y fluoruro de hidrgeno (HF). Enlace (s-s) La existencia de las molculas diatmicas en el gas dihidrgeno significa que el contenido energtico de la molcula H2 es menor que el correspondiente a los dos tomos de hidrgeno por separado. En otras palabras, se puede decir que la configuracin electrnica de la molcula H2 es ms estable que la de los tomos aislados, por qu? Cada tomo de hidrgeno tiene un solo electrn en el orbital 1s (Tabla 2.1) y necesita otro para adquirir la configuracin del gas noble helio (Z = 2), por lo que una transferencia de electrones no puede satisfacer los requerimientos de ambos tomos. El enlace se forma, entonces, con los dos tomos de hidrgeno compartiendo mutuamente sus electrones. El par electrnico compartido pertenece a ambos; se puede considerar que cada tomo de hidrgeno ha ganado un electrn y ha adquirido la estructura del helio.

Las molculas de dihidrgeno se forman cuando al aproximarse los dos tomos, cuyos electrones tienen espines opuestos, se produce un solapamiento (superposicin, interpenetracin) de los orbitales 1s esfricos (Figura 2.6).

Figura 2.6. Esquema del solapamiento de orbitales atmicos del hidrgeno Los dos electrones, uno de cada tomo, pasan a ocupar un orbital molecular, o sea una zona que abarca los dos ncleos, que tiene menor contenido energtico que los orbitales 1s de los 42

tomos aislados. Es por ello que las molculas de dihidrgeno son ms estables, debido a que durante su formacin se desprende gran cantidad de energa:

A medida que la distancia entre los ncleos disminuye la regin de interpenetracin de los orbitales se hace mayor disminuyendo la energa del sistema y el enlace se hace ms fuerte. En el caso particular del dihidrgeno se produce un gran solapamiento de los orbitales esfricos y los tomos se mantienen fuertemente unidos (a una distancia de enlace de 0,074 nm) mediante un enlace covalente de tipo sigma (), ya que dicho enlace posee simetra con respecto a un eje imaginario que une a ambos ncleos y, adems, dicho eje est contenido en el enlace (Figura 2.7).

Figura 2.7. Esquema que representa el enlace sigma () en la molcula de dihidrgeno Los orbitales esfricos son adireccionales por lo que el solapamiento puede ocurrir en cualquier direccin que se aproximen los tomos y es, por consiguiente un enlace no dirigido. El enlace (s-s) solo se produce entre los tomos de hidrgeno enlazados en la molcula de dihidrgeno.

Enlace (p-p) Cmo explicaras que cada tomo de flor en la molcula de diflor (F2), adquiere configuracin electrnica estable? Cmo se forma el enlace? Del anlisis de la estructura electrnica de la capa de valencia de un tomo de flor (Tabla 2.1) se concluye que tiene 7 electrones; 6 de ellos pareados y uno sin parear, por lo que la existencia de las molculas diatmicas de diflor implica que dos electrones (un electrn de cada tomo) forman un par electrnico que pertenece a ambos, completndose as, con 8 electrones, la capa ms externa de sus tomos:

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El enlace covalente se forma a expensa del pareamiento del electrn que se encuentra ubicado en el orbital atmico incompleto 2p de cada tomo. Los tomos de flor en la molcula estn unidos mediante un enlace covalente de tipo (p-p) como resultado del solapamiento frontal de los orbitales 2p de cada uno (Figura 2.8).

F

F

:

eje imaginario

Figura 2.8. Esquema que representa el enlace (p-p) en la molcula de diflor Adems, como cada orbital 2p del tomo de flor tiene una determinada orientacin en el espacio, para que se produzca el solapamiento frontal de estos orbitales debe seguirse una direccin especfica, por eso el enlace entre los tomos de flor es un enlace dirigido. Enlace (s-p) El mecanismo de electrones compartidos fue representado para el caso de la formacin de la molcula de fluoruro de hidrgeno (HF) en el Epgrafe 2.3.1. A cada uno de los tomos que se enlazan le falta un electrn para adquirir una configuracin electrnica ms estable (Tabla 2.1). Es posible completar los orbitales incompletos que poseen (1s1 en el hidrgeno y 2p1 en el flor) por comparticin del par de electrones entre los dos tomos. De esta forma el hidrgeno se une al flor a travs de un enlace covalente de tipo (s-p) dirigido. El solapamiento frontal entre los orbitales se produce siguiendo la orientacin determinada por el orbital 2p del tomo de flor que participa en el enlace (Figura 2.9).

:F H

eje imaginario

Figura 2.9. Esquema que representa el enlace (s-p) en la molcula de fluoruro de hidrgeno 44

En todos los casos analizados se produce un enlace que es simtrico al eje que une a los dos tomos y que contiene a este eje (enlace sigma). 2.3.3.2. Caractersticas del enlace pi () Los enlaces pi () se forman por interpenetracin lateral de los orbitales p; por lo tanto el enlace pi no ocurre sobre el eje imaginario que une los ncleos de los tomos enlazados y no contiene a dicho eje. En la Figura 2.10 se muestra el enlazamiento pi entre dos orbitales p de dos tomos.

Eje imaginario p

p

Figura 2.10. Ilustracin grfica del enlace (p-p) Como se observa se forman dos zonas de solapamiento las cuales se sitan a ambos lados de la lnea que une los ncleos de los dos tomos. El enlace pi es ms dbil que el enlace sigma. Enlace (p-p) Un buen ejemplo para el estudio del enlace pi lo constituye la formacin de la molcula de dinitrgeno. Los tomos de nitrgeno tienen una configuracin electrnica que indica la existencia de tres electrones desapareados (Tabla 2.1) por lo que pueden formar un triple enlace para formar molculas diatmicas (N2) en las que al compartir tres pares de electrones, cada tomo adquiere configuracin de gas noble.

La distancia entre los ncleos de los dos tomos de nitrgeno del triple enlace es 0,109 nm. Este triple enlace confiere a la molcula de N2 una gran estabilidad. En condiciones normales el dinitrgeno es un gas bastante inerte (poco reactivo) por lo que se necesita mucha energa para romper estos enlaces y formar nitrgeno atmico: N2 (g) N (g) + N (g) HD = 942,88 kJ.mol-1

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Las fuerzas que mantienen juntos a los tomos en la molcula deben ser muy intensas, ya que la energa necesaria para separar 1 mol de molculas en tomos es uno de los valores ms altos que se conoce para molculas diatmicas, superior al de la molcula de dioxgeno, 489,54 kJ, y a la de dihidrgeno, 431,89 kJ. En la molcula de dinitrgeno los tomos estn enlazados por enlaces covalentes que se forman debido al solapamiento de los tres orbitales p de cada uno de los tomos de nitrgeno:

Uno de los enlaces es de naturaleza sigma () y dos de ellos son de naturaleza pi (), lo que est relacionado con la disposicin de los orbitales atmicos que intervienen en el enlace. Como es sabido, los tres orbitales p estn situados en direccin mutuamente perpendiculares. Supongamos que los tomos de nitrgeno se acercan uno al otro movindose en la direccin del eje x (Figura 2.11).

y N z x

y N z x

Figura 2.11. Representacin de los orbitales p para dos tomos de nitrgeno que se acercan para formar una molcula de N2.

Cuando el acercamiento es suficiente, los dos orbitales px se interpenetran frontalmente formando un enlace (p-p) dirigido. (Figura 2.12). y : N N z y z x Figura 2.12. Formacin del enlace (px px) entre dos tomos de nitrgeno.

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Cmo podrn enlazarse los elect