Configuración electrónica

Los electrones están distribuidos en niveles de energía, y aquellos que se encuentran en niveles más externos son los que intervienen en las uniones químicas. Las configuraciones electrónicas de los elementos permiten identificar cuántos electrones se encuentran en los niveles de energía más externos y conocer de este modo el tipo de reacciones en las que pueden participar.

La estructura electrónica de los átomos determina las propiedades de los elementos, especialmente el ordenamiento de los electrones en los niveles de energía más externos. Al observar la tabla periódica se puede apreciar que todos los elementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su nivel más externo, siendo el número de grupo la cantidad de electrones que se encuentran en dicho nivel.

TABLA PERIÓDICA

La tabla periódica contiene gran cantidad de información, en cada casillero se puede extraer información específica del elemento, ya sea su símbolo, su número atómico, su número másico, configuración electrónica, etc. El número atómico (Z) coincide con el número de orden de la tabla periódica, lo cual facilita la ubicación de un elemento en particular. Estos elementos están distribuidos según sean metales (con sus subclasificaciones), no metales, metaloides, lantánidos, actínidos, halógenos y gases nobles. Además de dicha clasificación, la tabla periódica está dividida en grupos y períodos, lo que nos brinda aún mayor información, ya que agrupa a los elementos según características específicas.

GRUPOS: son las dieciocho columnas (verticales) de la tabla periódica, se numeran del 1 al 18, pero en algunas tablas aún se puede apreciar la numeración anterior, en la cual se utilizaban números romanos seguidos de las letras A o B. Los elementos de un mismo grupo tienen propiedades similares, en algunos casos forman familias, como la del grupo 14, que es la familia del carbono, o la del grupo 17 que corresponde a los halógenos. Elementos del mismo grupo poseen la misma cantidad de electrones en su última o últimas capas.

PERÍODOS: son las filas (horizontales) y en total son siete. El número de período coincide con la última capa electrónica del elemento, es decir, un elemento del período 2 cuenta con dos capas electrónicas. Esto implica que elementos del mismo período tengan propiedades químicas similares.

Además de tener gran cantidad de información, incluyendo la configuración electrónica de cada elemento, en la tabla periódica también se pueden observar las propiedades periódicas, como el radio atómico, la energía de ionización, la afinidad electrónica y la electronegatividad.

configuración electrónica (c.E.)

El número Z indica la cantidad de protones que contiene un átomo determinado y, en consecuencia, también la cantidad de electrones de un átomo neutro. Esta información es la base de la configuración electrónica. Ejemplo:

El elemento carbono (C) tiene número Z=6.

Como los elementos de la tabla periódica se consideran neutros, el carbono tiene 6 protones y 6 electrones. Estos seis electrones se deben ubicar en los distintos niveles de energía y en los orbitales correspondientes. Para saber cuántos y dónde colocarlos es preciso conocer la regla de las diagonales.

Regla de las diagonales.

En la regla de las diagonales se pueden observar esferas donde se agrupan las clases de orbitales (s, p, d y f). El llenado de orbitales se realiza siguiendo el sentido de la flecha. Se puede ver que horizontalmente se llega hasta el número 7, esto corresponde con que hay siete períodos o siete niveles de energía.

RECORDAR

Orbitales s: son orbitales esféricos con capacidad para 2 electrones.

Orbitales p: son tres orbitales bilobulados que pueden albergar dos electrones cada uno, por lo tanto tienen una capacidad total de 6 electrones.

Orbitales d: son cinco orbitales bilobulados, cada uno puede contener dos electrones, por lo tanto tienen capacidad para 10 electrones.

Orbitales f: son siete orbitales con capacidad total para 14 electrones.

Siguiendo con el ejemplo, se realizará la configuración electrónica del C. Los seis electrones del carbono se ubican de la siguiente manera:

Configuración electrónica del C.

La configuración electrónica queda expresada de esta forma dado que en los orbitales “s” se pueden colocar hasta dos electrones, y en el orbital “p” se ubican los dos que faltan para llegar a los 6 electrones que posee el carbono.

OTRO EJEMPLO:

Hallar la configuración electrónica del sodio (Na).

En primer lugar se debe ubicar el elemento en la tabla periódica para ver cuál es su número atómico. En el caso del Na es Z=11, entonces se sabe que el Na cuenta con 11 electrones para ubicar.

Luego se observa la regla de las diagonales y siguiendo el sentido de la flecha se van llenando los orbitales:

Configuración electrónica del Na.

Observar que la suma de los superíndices es igual a 11 (número de electrones).

En la mayoría de las tablas periódicas dicha configuración electrónica ya está escrita, pero se escribe simplificada.

En este ejemplo la configuración del sodio está expresada como [Ne] 3s1. Lo que se hizo fue indicar que la configuración del sodio es igual a la configuración del gas noble más cercano ,Ne, adicionándole 1 electrón al orbital 3s.

¿cómo ubicar un elemento en la tabla periódica sabiendo su C.E.?

En primer lugar se cuentan los superíndices:

1s22s22p63s23p La suma de los superíndices es 13. Por lo tanto el elemento está ubicado en Z=13.

El último electrón se ubicó en 3p1, ésto significa que se encuentra en el nivel de energía 3 (período 3).

1s22s22p63s23p  

El elemento es el aluminio (Al).

a practicar lo aprendido

  1. Escribir la configuración electrónica de los siguientes elementos:

a) H

b) N

c) P

2. Identificar a qué elemento corresponde la configuración electrónica:

a) Cloro

b) Silicio

b) Berilio

RESPUESTAS

1.

a) 1s1

b) 1s22s22p3

c) 1s22s22p63s23p3

2.

a) 1s22s22p63s23p5

b) 1s22s22p63s23p2

c) 1s22s2

¿Sabías qué...?
El elemento carbono es el compuesto principal de las minas de los lápices, y a su vez en una de sus formas también conforma el diamante.

 

Los ciclos de la naturaleza

Los ciclos en los ecosistemas son de vital importancia para su funcionamiento, y es que cada ser vivo depende de los nutrientes que éstos le aportan para realizar sus funciones vitales; por lo que una variación en ellos generaría cambios drásticos a corto y largo plazo.

Un ciclo es definido por la Real Academia Española como una “serie de fases por las que pasa un fenómeno periódico”; por lo que al aplicarlo a los ciclos de la naturaleza podemos decir que son eventos o procesos naturales que ocurren continuamente.

Los seres vivos, tanto plantas como animales, están formados por elementos químicos (oxígeno, fósforo, carbono, entre otros) que funcionan como nutrientes esenciales para su funcionamiento normal y además el del ambiente circundante.

Dichos nutrientes se encuentran en las capas de la Tierra (atmósfera, hidrósfera y geósfera) durante un período de tiempo, pero pronto siguen una trayectoria hasta la superficie terrestre (suelo, agua) y a los individuos que en ella se encuentran, para posteriormente regresar a las capas de la Tierra y continuar el ciclo, formando lo que se conoce como ciclos biogeoquímicos.

Los nutrientes van circulando entre la superficie terrestre y las capas de la Tierra a través de diferentes procesos (lluvias, evaporación, condensación, transpiración, etc.).
Ciclos biogeoquímicos
bio”: organismos vivos.
geo”: capas de la Tierra (rocas, aire, agua).
químicos”: elementos químicos.

Si decimos que los nutrientes siguen un ciclo constante en la Tierra, podemos calificarla entonces como un sistema cerrado, en el que los nutrientes están siendo aprovechados primero por los organismos y luego por los ecosistemas o viceversa.

Los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes que circulan constantemente en la naturaleza son:

Ciclo del Carbono (C): El carbono es, si se quiere, el elemento principal del esqueleto de las biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) que constituyen a los seres vivos; lo encontramos en el aire, en el suelo o disuelto en el agua.

Atmósfera: capa de gas que rodea la Tierra.

Hidrósfera: capas de agua que se encuentran debajo o cubriendo la superficie de la Tierra.

Geósfera: capa de rocas (sólidas o fluidas) que se encuentra en la Tierra.

La forma en la que principalmente se presenta el carbono es como dióxido de carbono (CO2).

El dióxido de carbono (CO2) que se encuentra en la atmósfera es utilizado por las plantas para realizar la fotosíntesis. De igual forma, durante la respiración éstas tomarán oxígeno para convertirlo en moléculas de CO2 que serán devueltas a la atmósfera.

La superficie terrestre, específicamente el suelo, presenta grandes cantidades de carbono producto de la descomposición de los desechos orgánicos de plantas y animales (excremento, hojas secas, etc.); de este proceso de descomposición realizado principalmente por bacterias, se produce CO2.

En el subsuelo, por su parte, existen los llamados combustibles fósiles, que no son más que yacimientos de carbón, gas natural y petróleo. Al extraerlos del suelo y realizar la combustión desprenden CO2 como un subproducto.

Las rocas, la acción de las industrias, los vehículos, las erupciones volcánicas y los incendios son fuentes de carbono, que es liberado a la atmósfera para que continúe el ciclo.

Ciclo del carbono.
En la naturaleza se presentan varios ciclos geoquímicos.

Ciclo del Oxígeno (O2): Este ciclo va de la mano del ciclo del carbono, ya que, producto de la fotosíntesis, a pesar de que se invierte CO2, se produce oxígeno que es liberado a la atmósfera. Caso contrario al proceso de respiración, donde se consume oxígeno por los animales y plantas.

¿Sabías qué...?
El dióxido de carbono representa el 0,03% de los compuestos gaseosos que están presentes en la atmósfera.

El oxígeno es indispensable para los seres vivos, debido a ello lo podemos encontrar como parte de las siguientes moléculas:

Ciclo del oxígeno.

Ciclo del agua o ciclo hidrológico: El 71 % de la superficie terrestre y el 65-75 % del peso corporal del hombre está formado por agua, por lo que la circulación de esta molécula es de gran importancia en los ecosistemas.

En la Tierra la podemos encontrar en forma líquida, sólida (glaciares, iceberg) o en forma de vapor, dependiendo de la fase del ciclo en la que se encuentre.

El ciclo del agua está condicionado principalmente por la energía emitida por el Sol y por la fuerza de gravedad.

En la atmósfera el agua se encuentra en forma de vapor (gas) proveniente de la transpiración de las plantas, animales y de la evaporación de esta en los océanos. Cuando desciende la temperatura, este vapor de agua se condensa y se forman las nubes, las cuales llegado el momento precipitan a la superficie terrestre (ríos, lagos, mares, suelo) en forma de granizo, nieve o lluvia.

En este punto el agua presente en la superficie se infiltra en el subsuelo, originando depósitos de aguas subterráneas, también puede evaporarse por el calor generado por acción del sol a medida que sigue su trayectoria hacia los océanos.

Ciclo del Nitrógeno (N): El nitrógeno es uno de los componentes principales de los aminoácidos, constituyentes de las proteínas de todos los seres vivientes; aunque este elemento se encuentra en gran abundancia en la atmósfera no es tan sencillo de aprovechar por los organismos vivos, debido a su carácter inerte (no es químicamente reactivo puesto que posee sus capas de valencia saturadas).

Ciclo del nitrógeno.

Sin embargo, para poder emplearlo, la naturaleza ha evolucionado de tal forma que el nitrógeno atmosférico debe fijarse en el suelo con otros elementos, ya sea por acción de un grupo de bacterias especializadas (de vida libre o asociadas a raíces de las plantas) o en menor medida por acción de los relámpagos.

Para esto las bacterias presentes en el suelo convierten parte del nitrógeno que se encuentra en los desechos de los animales y plantas (excremento, hojas secas, etc.) en proteínas, y los restos de nitrógeno lo liberan al suelo en forma de amoniaco (NH3) o amonio (NH4+), proceso conocido como amonificación; o como nitrato (NO3) , generando la nitrificación.

En dicho caso, el nitrato es absorbido por las plantas para formar las proteínas que servirán de alimento a los animales. Posteriormente este nitrógeno regresa al suelo a través de los desechos de los animales o al morir éstos, y vuelven a la atmósfera producto de la desnitrificación, proceso en el que las bacterias transforman el nitrato en nitrógeno gaseoso.

Bacterias como Enterobacter, Rhizobium y Klebsiella transforman el nitrógeno para que este pueda ser aprovechado por plantas y animales.

Ciclo del Fósforo (P): El fósforo a diferencia de los elementos químicos anteriores, no se encuentra en la atmósfera sino más bien en el suelo, específicamente en las rocas o sedimentos en forma de fosfato inorgánico (Pi). Allí, como producto de la erosión por el agua, es liberado y tomado por los productores primarios (plantas, bacterias) para formar biomoléculas, las cuales servirán de alimento para organismos superiores, que podrán incorporar de esta forma el fósforo a su sistema, el cual posteriormente regresará al suelo cuando estos organismos mueran.

La degradación y transporte del suelo (erosión) proporciona el medio ideal para la movilización del fosfato inorgánico (Pi) a los diferentes ecosistemas.
Sedimento: partículas de rocas o suelo que son arrastrados por el agua y que tienden a depositarse en ríos, lagos, mares, océanos.

En la naturaleza, los nutrientes nunca se encuentran distribuidos de forma homogénea ni se encuentran presentes en la misma forma química en todo el ecosistema; he aquí donde radica la importancia de los ciclos para el ecosistema y para los seres vivos que lo componen.

Actualmente los avances en las actividades humanas han generado desequilibrios en la proporción de estos elementos y sus diferentes formas químicas presentes en los ecosistemas, trayendo como consecuencia el calentamiento global, que no es más que el aumento de la temperatura de la Tierra.

¿Sabías qué...?
La mayor cantidad de agua en la Tierra se encuentra en los mares y océanos (95 %).

Las actividades humanas que contribuyen con el desequilibrio en la dinámica de los ciclos biogeoquímicos son: la deforestación, algunas actividades agrícolas (principalmente por el uso de fertilizantes), emanación de gases por las industrias y los automóviles, vertidos de aguas contaminadas (sin tratamiento) a los ecosistemas acuáticos, entre otras.

Una de las mayores consecuencias del aumento de la temperatura es el derretimiento acelerado de los glaciares y icebergs, lo que genera un aumento del nivel del mar.
Los productos químicos (fertilizantes) utilizados en la agricultura aceleran y alteran el flujo del carbono y el nitrógeno a la atmósfera.

Estas actividades no sólo causan variaciones en los ciclos, sino también en los organismos (plantas, animales, bacterias) que los necesitan para realizar sus funciones vitales.

Los animales dependen de los ciclos biogeoquímicos para realizar sus funciones vitales.

Formas físicas en que se presenta la materia

La materia puede presentarse en dos formas distintas: homogénea y heterogénea, según que sus propiedades y su composición sean las mismas en cualquier punto o cambien al pasar de un punto a otro. La homogeneidad, tal como se entiende en química, es, pues, homogeneidad respecto a la subdivisión.

En cambio, un material heterogéneo es una mezcla en la que cada porción homogénea de la misma constituye lo que se denomina una fase. Una roca de granito, por ejemplo, es un material heterogéneo en el que se pueden observar a simple vista distintos componentes: partículas pequeñas y oscuras de mica, cristales de cuarzo duros y transparentes, y cristales oblongos y grises de feldespato. Cada fase de una mezcla presenta distintas propiedades y la separación de las mismas puede en general realizarse por medios mecánicos.

Sustancia pura y disolución

Una sustancia pura o especie química es una fase homogénea de composición constante. Si la composición de una fase homogénea puede variar se habla de disoluciones. Las disoluciones pueden ser de distintos tipos, pero las más comunes son de un sólido en un líquido; por ejemplo, de sal común en agua.

La composición de una sustancia o cuerpo puro no varía con los cambios de estado. Así, el agua tiene la misma composición en forma de hielo, de agua líquida o de vapor. Si se varía la presión, la temperatura de fusión (o solidificación) de una sustancia pura también varía, pero tampoco en este caso cambia la composición del líquido (o sólido) que se obtiene. En cambio, la composición de una disolución sí varía con los cambios de estado o con los cambios de presión y temperatura. Por ejemplo, si se enfría una disolución en agua caliente de sal común, parte de la sal precipita, ya que la sal es más soluble en agua caliente que en agua fría.

 

Una disolución puede variar su composición luego de un cambio de estado.

Elementos y compuesto químicos

El agua y el azufre, por ejemplo, son sustancias puras, pero la primera es un compuesto y la segunda es un elemento o, en otras palabras, la molécula de agua está formada por dos átomos de distinto tipo (hidrógeno y oxígeno), mientras que la molécula de azufre está formada únicamente por átomos de azufre. Si sometemos el agua a cambios de estado, su composición no varía (es una sustancia pura), pero por medios químicos podemos descomponerla en hidrógeno y oxígeno, sus elementos constituyentes. Esto puede lograrse, por ejemplo, haciendo pasar vapor de agua sobre hierro calentado al rojo: el hierro extraerá el oxígeno de las moléculas de agua dando origen a la formación de un óxido de hierro, mientras que el hidrógeno quedará libre.

Con el azufre es imposible hacer algo así: podemos calentarlo y su molécula pasará de una forma (alotrópica) a otra, pero seguirá estando formada únicamente por átomos de azufre. También podemos intentar hacerlo reaccionar con otro elemento o con un compuesto, pero siempre tendremos lo mismo: azufre que no ha entrado en combinación o bien azufre que se ha combinado con otros elementos, nunca dos componentes distintos de esa sustancia que a la que llamamos azufre, por la simple razón de que se trata realmente de un elemento químico y, por lo tanto, está constituido por un único tipo de átomos.

Disoluciones

Las disoluciones o soluciones son sistemas formados de dos componentes: el disolvente y el soluto.

Se llama disolvente al componente más abundante, y soluto al que se halla en menor cantidad; sin embargo, en la práctica, en muchos casos no queda claramente delimitado cuál de los componentes es el soluto y cuál el disolvente.

En el lenguaje corriente, cuando se habla de disoluciones se suele hacer referencia a disoluciones de un soluto sólido en un disolvente líquido (casi siempre agua, con mucho el más común de los disolventes de sustancias inorgánicas), pero de hecho hay otros ocho tipos de disoluciones, ya que tanto el soluto como el disolvente pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso.

En una solución solo se distingue una fase de la materia.

La mayoría de las reacciones químicas se producen con las sustancias reaccionantes disueltas, y para el reconocimiento de una sustancia o la determinación de algunas de sus características a menudo es conveniente recurrir a su disolución. De ahí la gran importancia que posee su estudio. Por ahora sólo indicaremos que conviene distinguir entre disoluciones diluidas (poco soluto), concentradas (bastante cantidad de soluto) y saturadas (aquellas en que el disolvente no puede admitir más soluto). En disolución acuosa muchos compuestos se ionizan y entonces estas disoluciones son conductoras de la electricidad.

Disolventes fundamentales para el químico son: el agua, el agua destilada, los ácidos y bases inorgánicos, la bencina, el alcohol ordinario, la acetona, el éter, el sulfuro de carbono, etcétera.

Dispersiones coloidales

La distinción entre mezcla y disolución a partir de su homogeneidad o heterogeneidad es muy precisa en el ejemplo del granito y puede asimismo ser suficientemente precisa en el caso de las suspensiones. Un ejemplo de suspensión puede ser la de arena muy finamente pulverizada mezclada en agua: a diferencia de lo que ocurriría si se tratase de una disolución, la arena acaba por depositarse, aunque lo hará tanto más lentamente cuanto menores sean las partículas. La explicación de este diferente comportamiento estriba en que en una suspensión las partículas están constituidas por agrupaciones de un número muy grande de moléculas, mientras que en una disolución las partículas son moleculares.

Un caso menos evidente es el de las dispersiones coloidales, en las que las partículas tienen un tamaño que, aun siendo considerablemente superior al de las partículas en disolución, es muy inferior al de las partículas de las suspensiones, hasta el punto de que las partículas coloidales pasan a través de todos los filtros corrientes y no se depositan ni siquiera después de un período de reposo prolongado. Para fijar ideas, se puede afirmar que si el tamaño de las partículas es mayor que 0,2 (micras, siendo 1 = 10-3 mm) nos hallamos ante una suspensión; cuando está comprendido entre 0,2 y 1 m (milimicra, 10-6 mm), se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que 1 m, se puede hablar propiamente de disolución. En el caso de las dispersiones coloidales, se habla de fase dispersa y de medio de dispersión, conceptos equivalentes a los de soluto y disolvente usados en el caso de las disoluciones. Como en el caso de las disoluciones, existen nueve tipos distintos de dispersiones coloidales, correspondientes a los tres posibles estados de la fase dispersa y del medio dispersante.

Separación de mezclas heterogéneas

En muchas ocasiones, tanto en el laboratorio como en la industria, se plantea la necesidad de separar los distintos componentes de una mezcla. Entre las distintas técnicas que se emplean con este fin cabe mencionar las siguientes:

  • Para separar sólidos de líquidos:
  • Separación por decantación, que consiste en dejar que el sólido acabe por depositarse en el fondo de un recipiente (en ocasiones, la decantación puede acelerarse por centrifugación);
  • Separación por filtración, en la que se utiliza un material (papel de filtro, porcelana porosa, etc.) que por el tamaño de sus poros permite el paso del líquido pero no el de las partículas sólidas;
  • Separación por centrifugación, basada en que las partículas en suspensión o en dispersión resultan afectadas por la fuerza centrífuga, con lo que tienden a escapar de la masa del líquido (esta técnica se emplea, por ejemplo, en la industria azucarera).
  • Para separar sólidos de sólidos:
  • Separación magnética, utilizable para extraer, por ejemplo, partículas de hierro o de otro metal ferromagnético de una mezcla;
  • Separación por levigación, que se basa en someter la mezcla a un chorro de agua, que arrastra con mucha mayor facilidad las partículas menos densas (se usa, por ejemplo, para separar una mezcla de arena y oro, aprovechando que este último es mucho más denso);
  • Separación por disolución, que puede usarse, por ejemplo, para extraer la sal de una mezcla de arena y sal: se añade agua, con lo que la sal se disuelve, y después, tras filtrar la disolución, el agua se evapora, con lo que la sal precipita.
  • Para separar líquidos inmiscibles:
  • Separación por centrifugación, según el principio ya explicado (también se emplea para la separación de emulsiones);
  • Separación por decantación, que en este caso suele hacerse usando un embudo de decantación, el cual, al abrir su llave, permite la salida del líquido de mayor densidad.

Separación de disoluciones

La separación de los diversos componentes de una disolución es más difícil que la de los componentes de una mezcla, ya que en este caso los medios puramente mecánicos no son efectivos y es preciso recurrir al calentamiento de la disolución para llevar a cabo la separación a partir del vapor:

  • Disolución de un sólido en un líquido: separación por evaporación, que se realiza calentando la disolución en una vasija abierta y poco profunda, con lo que, al irse evaporando el líquido, la disolución se va concentrando y, si se prosigue hasta la total evaporación del líquido, se obtiene el soluto precipitado.
  • Disolución de un líquido en otro: separación por destilación simple, aplicable cuando los puntos de ebullición de los dos líquidos son notablemente diferentes y en la que se procede calentando la disolución hasta una temperatura algo superior al punto de ebullición del líquido más volátil y condensando por enfriamiento el vapor recogido.
  • Disolución de varios líquidos en otro líquido: separación por destilación fraccionada, que se basa en que cada líquido tiene un punto de ebullición distinto; puede realizarse en una sola operación mediante las llamadas columnas de fraccionamiento, tal como se hace en el caso del petróleo crudo.
Proceso de destilación simple.