Aplicaciones y propiedades de los elementos químicos

El avance de la ciencia en gran parte se debió a los usos que los seres humanos le dieron a los elementos químicos, cada uno de los cuales presenta cualidades particulares, como su dureza, resistencia a la corrosión y otras más que permiten emplearlos para distintos fines como chips, medicinas y cosméticos.

Los elementos químicos

Un elemento químico se define como la sustancia conformada por un solo tipo de átomo. Hasta la fecha se han identificado 118 elementos de los que solamente 92 pueden encontrarse en la naturaleza y el resto son elementos sintéticos producidos por el ser humano de forma artificial.

Cada elemento químico de la tabla periódica tiene un número atómico que indica la cantidad de protones que posee en su estructura atómica.
Cada elemento químico de la tabla periódica tiene un número atómico que indica la cantidad de protones que posee en su estructura atómica.

El elemento que se encuentra con mayor presencia en el universo es el hidrógeno y sirve como combustible para las estrellas, el segundo más abundante es el helio. Por otra parte, el elemento más abundante en la corteza y atmósfera de nuestro planeta es el oxígeno, seguido por el silicio que se encuentra en formas rocosas y en la arena.

El cuerpo es un conglomerado de elementos químicos, los más abundantes son el oxígeno y el carbono.
El cuerpo es un conglomerado de elementos químicos, los más abundantes son el oxígeno y el carbono.

Aplicaciones de los elementos

Dependiendo de las propiedades físicas y químicas de los elementos, el ser humano ha sabido hacer uso de ellos para una infinidad de productos que muchas veces pasan desapercibidos en nuestra vida, pero juegan un gran papel importante en la ciencia y en la sociedad actual.

Los elementos de la tabla periódica se encuentran distribuidos en 7 filas denominadas periodos y 18 columnas denominadas grupos. Cada grupo de elementos presenta características químicas similares. A continuación se muestran algunas de las aplicaciones de los elementos de cada grupo:

Grupo IA – Metales alcalinos

Son todos (a excepción del hidrógeno) blancos, brillantes y muy activos, se encuentran en la naturaleza en forma de compuestos. El sodio y el potasio se emplean en la industria principalmente en forma de sales. El litio se usa en reactores de fusión y en la fabricación de baterías eléctricas. El rubidio es empleado en las celdas fotoeléctricas y como localizador de tumores cerebrales.

La sal común está formada por cloro y sodio.
La sal común está formada por cloro y sodio.

Grupo IIA – Metales alcalinotérreos

Obtienen su nombre debido al aspecto térreo de sus óxidos, se caracterizan por ser buenos conductores de calor y de electricidad. Debido a que son demasiado activos, no existen en la naturaleza y son metales difíciles de obtener, por lo que sus aplicaciones son muy limitadas. El berilio se usa en aleaciones de uso industrial y para fabricar pantallas y ventanas de radiación en dispositivos de rayos X. El magnesio presenta alta resistencia a la tensión, por lo que es usado en aleaciones para la industria aeronáutica y para fabricar émbolos y pistones, se usa también como material refractario y para la elaboración de pastillas. El estroncio se emplea como purificador del azúcar, aunque la medicina lo ubica como un elemento causante de cáncer. El bario se emplea en la pirotecnia y sirve como medio de contraste para que el estómago y los intestinos puedan observarse en las radiografías. El radio es usado en la pintura fluorescente.

En la purificación del azúcar se emplea el estroncio.
En la purificación del azúcar se emplea el estroncio.

Grupo IIIA – Familia del boro

El boro tiene una amplia química de estudio, se usa para fabricar vidrios, esmaltes y utensilios de cocina. El aluminio es empleado en la fabricación de materiales de cocinas como ollas y sartenes, también se usa en la industria automotriz para fabricar pistones y motores. El galio, el indio y el talio son raros y existen en cantidades mínimas. El galio y el indio tienen aplicaciones principalmente médicas en dispositivos especiales para detectar enfermedades. El talio se usa como veneno para las ratas por no tener ni olor ni sabor.

Muchos utensilios de cocina son fabricados con aluminio.

Grupo IV – Familia del carbono

La química orgánica es la disciplina encargada de estudiar los compuestos del carbono, el cual en su estado elemental se presenta como diamante y como grafito, este último empleado en la fabricación de lápices y para generar fibras de carbono. El silicio se emplea para la preparación de siliconas y por ser un elemento semiconductor muy abundante, se usa en la industria electrónica para crear chips. El óxido de silicio se usa para la fabricación de hormigón y también se emplea en la fabricación de vidrios. El germanio se usa en la fabricación de transistores y semiconductores, en las fibras y lentes ópticas. El estaño es ampliamente usado en los procesos industriales, en soldaduras de circuitos y en la fabricación del vidrio para reducir su fragilidad, también se usa como fungicida y en otros productos como tintes, dentífricos e insecticidas. El plomo se usa para la fabricación de baterías, como aislante de la radiación y como químico en la refinación del petróleo.

Los lápices emplean láminas de grafito, un mineral formado casi completamente por carbono.

Grupo V – Familia del nitrógeno

Es el grupo más heterogéneo de la tabla periódica y por esta razón las aplicaciones de los elementos de este grupo son muy variadas. El nitrógeno se usa para fabricar fertilizantes, explosivos, colorantes y para la síntesis del amoníaco. El fósforo se emplea en la fabricación de fuegos artificiales, en explosivos y en venenos para el control de plagas. El arsénico es un elemento muy contaminante y peligroso, es usado para limpiar las impurezas del vidrio y para fabricar pesticidas. El antimonio se emplea en aleaciones metálicas y en la fabricación de esmaltes y pinturas, también se usa en el proceso de vulcanización del caucho. El bismuto se usa para fabricar fusibles, para aleaciones de bajo punto de fusión y en la medicina se emplea en forma de subsalicilato de bismuto para tratar la diarrea.

El fósforo es usado en los fuegos artificiales.
El fósforo es usado en los fuegos artificiales.

Grupo VI – Colágenos

Son elementos no metálicos y la mayoría son corrosivos. El oxígeno se usa como aire artificial y como combustible de cohetes en su forma líquida. El azufre se emplea en la fabricación de pólvora, fósforos y como fungicida. El selenio es usado en la fabricación de dispositivos fotoeléctricos y en células solares. El teluro se usa para realizar aleaciones con cobre y el plomo para aumentar la resistencia a la tensión.

El azufre se emplea en la fabricación de la pólvora.

Grupo VII – Halógenos

Son compuestos que presentan una coloración característica en su estado gaseoso y tienen gran afinidad con el hidrógeno y con el oxígeno. El flúor es usado en la fabricación de dentífricos y enjuagues bucales, también se usa para el tratamiento del agua. El cloro se usa como blanqueador y desinfectante. El bromo se emplea en los fluidos de perforación de pozos petroleros, también es usado como colorante y en la fotografía. El yodo se usa principalmente en la medicina como antiséptico y desinfectante, también se usa como medio de contraste para la radiografía y como tratamiento de alteraciones de la tiroides.

Los dentífricos emplean flúor para proteger los dientes.
Los dentífricos emplean flúor para proteger los dientes.

Grupo VIII – Gases nobles

Los elementos que conforman a este grupo presentan propiedades similares, en condiciones normales son gases monoatómicos incoloros e inodoros, también puede decirse que su reactividad química es muy baja. El helio se usa para llenar globos meteorológicos, se usa mezclado con el oxígeno como aire artificial en los tanques de buceo. El neón es empleado como refrigerante, también se usa en los tubos incandescentes y en las pantallas de televisión. El argón se usa en las lámparas de incandescencia y se usa como gas para las soldaduras. El kriptón se emplea en las pistas de aterrizajes en los focos incandescentes debido a la luz roja que emite.

El helio es usado para llenar globos.
El helio es usado para llenar globos.

Elementos de transición

Están formados por los grupos IIB, IVB, VB, VIB, VIIB, IB y IIB de la tabla periódica. Los elementos pertenecientes a estos grupos presentan características muy variadas y todos son metales. Debido a su variabilidad en el estado de oxidación, sus compuestos son muy coloridos. Algunos de los elementos que conforman a este grupo son: cromo, hierro, níquel, cobre, cinc, plata y oro. El cromo es usado en aleaciones con otros metales para aumentar la dureza y resistencia a la corrosión de estos. El hierro debido a su abundancia se emplea mayormente para fabricar aceros. El níquel se emplea en la fabricación de componentes electrónicos como pilas y como revestimiento de otros metales propensos a la corrosión. El cobre se usa en la fabricación de cables y monedas, también se emplea para elaborar pigmentos. El cinc es usado en la fabricación de termómetros de altas temperaturas, también se emplea en componentes electrónicos como células fotoeléctricas y transistores. El oro y la plata se usan principalmente en la joyería y en algunos dispositivos electrónicos.

El hierro es el metal más abundante.
El hierro es el metal más abundante.

Proceso de destilación

Vivimos rodeados de productos que han pasado por procesos de destilación, desde el whisky hasta la gasolina. A nivel industrial, este procedimiento juega un papel fundamental en la separación de mezclas y se presenta en varios tipos.

¿Qué es la destilación?

Es un método o técnica de separación de mezclas que permite obtener sus componentes de forma individual, también se emplea para la purificación de líquidos.

Se fundamenta en las diferencias de los puntos de ebullición de los componentes que conforman la mezcla. Para lograr la separación de estos, se calienta la mezcla hasta que entra en ebullición, a medida que la temperatura aumenta se alcanzan los puntos de ebullición de los compuestos de forma ascendente, es decir, desde el compuesto con el punto de ebullición más bajo (más volátil) hasta el compuesto con mayor punto de ebullición de la mezcla (menos volátil).

A medida que un compuesto entra en ebullición, sus vapores son conducidos dentro de un condensador que se encarga de enfriarlos y así transformarlos a su estado líquido, mientras esto pasa, los demás compuestos permanecen en su estado original hasta que sus puntos de ebullición son alcanzados.

El proceso de destilación es más eficaz mientras la diferencia entre los puntos de ebullición de los compuestos de la mezcla es mayor.
Volatilidad de una sustancia

Es la tendencia que tiene un compuesto en evaporarse, en otras palabras, es una medida de la facilidad que tiene este para pasar a la fase gaseosa.

Los perfumes suelen estar compuestos de etanol, un compuesto muy volátil.

Ejemplo de destilación

El agua salada es una solución que puede separarse por destilación simple y su proceso se describe a continuación:

  1. El agua salada se somete a un calentamiento térmico en un balón de destilación que ocasiona que la mezcla libere vapor de agua al alcanzar el punto de ebullición (100 °C a presión atmosférica).

  1. El vapor liberado recorre un tubo de refrigeración que permite convertirlo a su estado líquido.

  1. La totalidad del agua condensada a partir del tubo de refrigeración se sitúa en un recipiente. La sal al ser un compuesto que no se evapora, permanece en el balón de destilación.
La operación unitaria de separación más empleada a nivel industrial es la destilación.

¿Sabías qué...?
Cuando los puntos de ebullición de los componentes de la mezcla sean muy cercanos, la separación total no puede obtenerse en una sola destilación, de manera que el producto destilado debe destilarse más de un vez.

Tipos de destilación

Existen varios tipos de procesos de destilación que se emplean para diferentes fines:

Destilación simple

Se emplea cuando la mezcla contiene un solo componente volátil (como el caso del agua salada) o cuando el punto de ebullición del compuesto líquido más volátil difiere del resto de componentes en 80 °C o más. Una destilación simple puede llevarse a cabo a presión atmosférica o a presión reducida con el propósito de disminuir el punto de ebullición del componente que se pretende destilar.

La destilación simple permite obtener agua potable a partir del agua de mar.

Destilación fraccionada

Es empleada para separar mezclas con componentes líquidos que difieren 80 °C o más entre sus puntos de ebullición. Para este proceso se emplea una columna de fraccionamiento y puede llevarse a cabo a presión atmosférica o a presión reducida.

La torre de destilación fraccionada o columna de fraccionamiento se emplea para la refinación del petróleo.

Destilación por arrastre de vapor

Se emplea para separar compuestos insolubles en agua y ligeramente volátiles de otros compuestos no volátiles como resinas o sales inorgánicas. Es muy útil cuando se desean separar compuestos con punto de ebullición muy superior a 100 °C.

Muchos productos de limpieza como jabones y detergentes se obtienen a partir de la destilación por arrastre de vapor.

Refinación del petróleo

La destilación es usada para separar los componentes del petróleo a nivel industrial. Esto se debe a que el petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos y otros compuestos que presentan diferencias en sus puntos de ebullición. A este proceso también se lo conoce como destilación fraccionada.

Un barril de petróleo permite obtener entre 30 y 40 % de gasolina respecto a su peso.

Bebidas destiladas

Se suelen llamar por este nombre a los aguardientes y licores. A pesar de ello, hay otras bebidas alcohólicas que entran dentro de esta clasificación. Por esta razón, existe una gran cantidad de bebidas de este tipo que se obtienen mediante procesos de destilación, algunas de las más conocidas son:

– Vodka

– Whisky

– Brandy

– Tequila

– Ron

– Ginebra

Las bebidas fermentadas como el vino se diferencian de las destiladas, porque solamente emplean el proceso de fermentación en su fabricación.

Aplicaciones de diferentes tipos de compuestos orgánicos

El carbono es la figura principal en la química orgánica y su combinación con otros átomos es tan variada que permite la formación compuestos muy diversos, los cuales son empleados por los seres humanos con la finalidad de producir diferentes productos.

Compuesto orgánico

Es aquel compuesto formado por enlaces del tipo carbono-carbono y carbono-hidrógeno. En algunas ocasiones este tipo de molécula puede contener átomos de oxígeno, nitrógeno, fósforo, nitrógeno y otros elementos como los halógenos. La mayoría de los compuestos orgánicos se produce de forma artificial, aunque existen algunos que se extraen naturalmente.

La disciplina que se encarga de estudiar los compuestos orgánicos o compuestos de carbono es la química orgánica. El carbono es un elemento muy particular porque puede formar más compuestos que el resto de los elementos, esto se debe a su capacidad de unirse entre sí para formar cadenas lineales y ramificadas.

Los átomos de carbono pueden formar cadenas y anillos muy estables, también pueden combinarse con una gran variedad de otros elementos.

Los hidrocarburos

Son compuestos orgánicos que se encuentran conformados solamente por átomos de carbono e hidrógeno. Presentan una especie de estructura principal o armazón de átomos de carbono a los que se encuentran enlazados los átomos de hidrógeno.

Tipos de hidrocarburos

Los hidrocarburos se clasifican en alifáticos (cuando se presentan en cadenas abiertas) y en aromáticos (conformados por hidrocarburos cíclicos).

  • Hidrocarburos alifáticos

Alcanos: contienen enlaces sencillos de carbono-carbono, por esta razón son los hidrocarburos más simples. Los cuatro primeros alcanos (metano, etano, propano y butano) se usan principalmente con fines de calefacción y para cocinar los alimentos. Los alcanos también se emplean como disolventes de sustancias no polares como las grasas.

El gas doméstico es una mezcla de alcanos que producen una reacción de combustión que libera calor y se usa principalmente para cocinar.

Alquenos: contienen al menos un doble enlace entre dos átomos de carbono y se los conoce también como olefinas. El etileno o eteno se emplea en la maduración de frutos verdes y también se usan con propósitos industriales para sintetizar otros compuestos como el cloruro de vinilo.

Los alquenos se emplean en la fabricación de los plásticos sintéticos y del caucho.

Alquinos: contienen por lo menos un triple enlace entre un par de átomos de carbono. Uno de los alquinos más usados es el acetileno o etino, que se emplea en la soldadura a gas como combustible y para la obtención de PVC (policloruro de vinilo).

Otro uso de los alquinos es en la fabricación de medicamentos antineoplásicos usados en las quimioterapias para tratar el cáncer.
  • Hidrocarburos aromáticos

Son compuestos orgánicos cíclicos (cadenas cerradas) y su nombre proviene de los intensos olores que tienen. A pesar de que muchos de los hidrocarburos aromáticos son cancerígenos y de alta toxicidad, sus aplicaciones son muy amplias, desde la fabricación de hormonas y vitaminas hasta la elaboración de tintes y perfumes.

El fenilo es un tipo de compuesto aromático usado en la elaboración de pantallas de cristal líquido y en los lentes de las cámaras de cine.

Hidrocarburos sustituidos

A partir de la sustitución de uno o varios átomos presentes en los hidrocarburos por otro átomo o grupo de átomos (grupo funcional) se pueden producir todos los compuestos orgánicos conocidos. De esta forma se puede obtener un aldehído si se sustituye en un alcano el átomo de hidrógeno enlazado al carbono terminal por un átomo de oxígeno. En estos casos se habla de hidrocarburos sustituidos.

Tipos de hidrocarburos sustituidos

De acuerdo al átomo o grupo funcional que se sustituya en el compuesto, se pueden clasificar en tres tipos de hidrocarburos sustituidos, de los cuales se señalan los compuestos representativos más comunes:

  • Oxigenados

Alcoholes: son alifáticos que presentan al menos un grupo hidroxilo (-OH) dentro de la cadena carbonada. Los alcoholes son usados principalmente en la industria como disolventes de pinturas, barnices y lacas. También se usan para fabricación de tintes, líquidos anticongelantes, plásticos y para sintetizar el formaldehído.

El alcohol isopropílico se usa como antiséptico tópico.

Fenoles: son compuestos aromáticos que contienen al grupo funcional hidroxilo (-OH). Los fenoles se emplean en la industria química y farmacéutica, como bactericida, fungicida y antiséptico.

Los fenoles participan en el proceso de fabricación de enjuagues bucales.

Éteres: Los éteres presentan la configuración R-O-R’ como grupo funcional, en donde los radicales pertenecen al grupo de los alquilos (alcano que ha perdido un átomo de hidrógeno) pueden ser iguales o distintos. Se usan como disolvente de sustancias orgánicas, en la fabricación de pegamentos y la producción de medicamentos.

Los éteres pueden usarse para elaborar venenos para ratas.

Aldehídos: son aquellos compuestos que presentan al grupo cabonilo (-C=O) unido a un extremo de la cadena carbonada. El principal uso de estos compuestos es para la fabricación de resinas, también son usados como somníferos. El etanal se usa como producto de partida para elaborar plásticos, lacas y pinturas.

Algunos aldehídos son empleados como conservantes de carnes y otros alimentos.

Cetonas: se forman al sustituir al menos un grupo CH2 en el interior de la cadena carbonada por el grupo carbonilo (-C=O). Estos compuestos se encuentran presentes en la naturaleza como en la testosterona y progesteronas, hormonas sexuales masculina y femenina respectivamente. Se usan principalmente como solventes en las formas de acetona y metil-etil-cetona.

La acetona es un tipo de cetona usado como disolvente.

Ésteres: están formados por los compuestos en los que un grupo funcional sustituye a uno o más átomos de hidrógenos en un ácido oxigenado, es decir, un ácido formado por un grupo OH- a partir del cual el átomo de hidrógeno se puede disociar como un ión de protón. Compuestos como el salicilato de metilo se usan en la fabricación de perfumes y de caramelos.

El benzoato de bencilo se usa en el tratamiento de la escabiosis.

Ácidos carboxílicos: son compuestos formados por uno o más grupos carboxilo (-COOH) y uno de sus representantes es el ácido etanoico o ácido acético que en estado diluido se emplea en el vinagre de uso doméstico. También se usan como solvente de lacas y resinas.

En la industria cervecera los ácidos carboxílicas se usan como conservante.
  • Nitrogenados

Aminas: son compuestos derivados del amoníaco (NH3) en los que uno o más átomos de hidrógeno unidos al átomo de nitrógeno son sustituidos por los grupos alquilo o arilo (derivado de un hidrocarburo aromático al que se le extrae un átomo de hidrógeno del anillo aromático). Las aminas se encuentran presentes en la naturaleza y participan en una serie de procesos bioquímicos. La dimetilamina se usa como inhibidor de la corrosión y como disolvente en la industria petrolera.

Algunas aminas como la dimetilamina se emplean en la elaboración de anestésicos como la estolvaína.

Amidas: son compuestos derivados de aminas y ácidos carboxílicos, en los cuales el grupo acilo (R-CO-) se encuentra unido al grupo amino (-NH2). Las amidas son usadas en la industria farmacéutica para la elaboración de anestésicos locales y en productos de uso común como en desodorantes.

Las amidas se encuentran presentes incluso en nuestro cuerpo en sustancias como la urea, un componente de la orina.
  • Halogenados

Haloalcanos: derivan de los alcanos y se producen por la sustitución de uno o más átomos de hidrógenos por átomos de elementos halógenos como el flúor, cloro, bromo y yodo. Los compuestos fluorados o clorados se emplean para la polimerización con la finalidad de obtener productos como al policloruro de vinilo y teflón.

Los clorofluorocarbonos (CFC) son aloalcanos que contienen cloro y flúor, son responsables de causar serios daños en la capa de ozono.

Degradación Biológica

El planeta Tierra está constituido por diversos materiales de origen natural como las plantas y algunos alimentos. Sin embargo, el ser humano se ha encargado de desarrollar industrias que impulsan la creación de materiales de origen sintético. A continuación estudiaremos los materiales biodegradables.

Un material biodegradable es aquel que puede descomponerse en los elementos químicos que lo conforman, debido a la acción de agentes biológicos como plantas, animales y microorganismos bajo condiciones ambientales naturales.
El reciclaje es una buena opción para evitar la acumulación de materiales que demoran largos períodos de tiempo en degradarse.

Tipos de biodegradación

  1. Degradación aerobia: este tipo de biodegradación es ejecutada por microorganismos que pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno. La palabra “aerobio” se aplica no sólo a organismos sino también a los procesos implicados y a los ambientes donde se realizan. Un ambiente aerobio es aquél rico en oxígeno, es decir, con concentraciones altas de oxígeno.
  1. Degradación anaerobia: este tipo de biodegradación es ejecutada por microorganismos que no utilizan oxígeno en su metabolismo, por lo tanto, el aceptor final de electrones es otra sustancia diferente al oxígeno. Si el aceptor de electrones es una molécula orgánica se trata de metabolismo fermentativo; si el aceptor final es una molécula inorgánica distinta del oxígeno se trata de respiración anaeróbica.

Los organismos que no pueden vivir o desarrollarse en presencia de oxígeno se denominan anaerobios estrictos.

Lista de materiales biodegradables

  • Madera
  • Caja
  • Cartón
  • Semillas
  • Papel (periódicos, revistas, toallas, bolsas, platos y vasos)
  • Tejidos naturales (algodón, lana, seda y lino)
  • Residuos domésticos procedentes de alimentos como verduras, carne, pescado, huesos o restos de frutas
  • Cera de abeja
  • Hojas
  • Restos de plantas
  • Pañales
  • La mayoría de los productos cosméticos
  • Productos elaborados con barro o cerámica (tazas y platos)

Lista de materiales comunes

Materiales Tiempo de descomposición
Cáscara de plátano o de banano 2 a 10 días
Pañuelos hechos de algodón 1 a 5 meses
Papel 2 a 5 meses
Cáscara de naranja 6 meses
Cuerda 3 a 14 meses
Filtros de cigarrillos 1 a 2 años
Estaca de madera 2 a 3 años
Calcetines o medias de lana 1 a 5 años
Aislante térmico de poliestireno 500 a 1.000 años
Botella de vidrio Cerca de 4.000 años
Hierro Depende del tipo de hierro desde 1 año a varios millones de años
Hueso 10 a 15 años

 

Sustituir el uso excesivo de bolsas plásticas por una bolsa de tela ayuda a la conservación del ambiente.

Ventajas de los materiales biodegradables

  1. Los materiales biodegradables son totalmente naturales, por lo tanto pueden ser consumidos por los microorganismos sin dificultad, lo cual permite que el ciclo vital siga su curso sin producir residuos en basureros o vertederos; eso disminuye la probabilidad de que estos materiales se conviertan en una fuente de basura persistente.
  1. En el proceso de descomposición, estos materiales no sueltan elementos químicos ni gases a la atmosfera, es decir, no contaminan ni contribuyen al efecto invernadero. Además, se reciclan numerosos nutrientes que ayudan a la conservación del medio ambiente.
  1. Los productos realizados con materiales biodegradables son más sencillos y económicos de fabricar, ya que los mismos no necesitan ser procesados industrialmente.
  1. Los materiales biodegradables son fáciles de reciclar y son totalmente reutilizables, por lo tanto, no hacen falta procesos complicados para su tratamiento.
  1. Con el auge de los materiales biodegradables cada día son más las empresas que conocen las ventajas de los mismos, por lo que es un sector susceptible de crecer y de crear numerosos empleos en los próximos años.

 

El uso de materiales no biodegradables contamina fuertemente el ambiente.

Desventajas de los materiales biodegradables

Actualmente, los materiales biodegradables no están demasiado extendidos, es decir, este tipo de industria aún está en pleno desarrollo y por lo tanto no hay muchos inversionistas que quieran impulsar a la misma. Como consecuencia, estos materiales son difíciles de encontrar y la población tiende a utilizar materiales no biodegradables por comodidad o por desconocer sus beneficios.

Por el mismo motivo no existen numerosos centros de reciclaje especializados en materiales biodegradables y como consecuencia, acaban tirados en basureros o vertederos.

Diferencias entre materiales biodegradables y materiales no biodegradables

El plástico, los metales, las pilas o la mayoría de las colas y pinturas no son biodegradables, por lo tanto no se descomponen en la naturaleza de forma fácil. El sol, la humedad, las bacterias o los hongos no pueden con ellos, así es que se acumulan en la naturaleza y la contaminan. A diferencia de los materiales biodegradables, los cuales se descomponen y generan alimento y energía, los no biodegradables son nocivos para el medio ambiente.

Estructuras de Lewis

Estudiar cómo se combinan los elementos químicos en la naturaleza es primordial para la química aplicada, es por ello que a lo largo de los años se han planteados diversas teorías y formas de representación que facilitan el entendimiento de los compuestos químicos.

Los átomos se combinan entre sí para formar diversos compuestos o sustancias químicas, esto implica la formación de enlaces químicos entre los átomos involucrados en las reacciones químicas. En función de la naturaleza química se conocen tres tipos de enlace:

  • Enlace iónico: se forma como resultado de las fuerzas electrostáticas existentes entre iones de carga opuesta. Este tipo de enlace implica la transferencia de electrones de un átomo a otro.
  • Enlace covalente: es aquel donde dos átomos comparten electrones, en función del número de electrones compartidos se distinguen tres tipos de enlaces covalente: simple (2 e), doble (4 e) y triple (6 e).
  • Enlace metálico: en este tipo de enlaces los electrones se mueven dentro de la red tridimensional del metal, lo que le confiere al mismo su propiedad característica, la conductividad eléctrica.

Los electrones que participan en un enlace químico se denominan electrones de valencia y son aquellos que se encuentran en la capa más externa de los átomos.

 

Átomo de nitrógeno.

Estructuras de Lewis

Lewis fue un químico estadounidense que propuso simbolizar los electrones de valencia mediante el uso de puntos que se ubican arriba, abajo y a los lados del símbolo químico de cada elemento, esta forma de representación se conoce como símbolos de Lewis.


Los símbolos punto-electrón para construir las denominadas estructuras de Lewis de diversas moléculas o compuestos son una herramienta útil al momento de estudiar los enlaces químicos, formación y tipos.

Regla del octeto

Cuando se forma un enlace químico los átomos pierden, ganan o comparten electrones con la finalidad de emular la configuración electrónica del gas noble más cercano a ellos, los cuales deben su estabilidad al número de electrones que contienen en su capa de valencia.

Símbolos de Lewis de los gases nobles.

 

Con excepción del helio, todos los gases nobles poseen ocho electrones en la capa de valencia, hecho en el que se fundamenta la denominada regla del octeto: los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeados por ocho electrones de valencia.

A continuación se muestran algunos ejemplos de estructuras de Lewis:

  • Metano
    • Fórmula química: CH4
    • Tipo de enlace: covalente
    • Configuración electrónica:


  • Estructura de Lewis:


  • Dióxido de carbono
    • Fórmula química: CO2
    • Tipo de enlace: covalente
    • Configuración electrónica:


  • Estructura de Lewis:


  • Agua
    • Fórmula química: H2O
    • Tipo de enlace: covalente
    • Configuración electrónica:


  • Estructura de Lewis:


Estructura de Lewis en compuestos iónicos

Uno de los compuestos iónicos más utilizados es la sal de mesa, compuesta por cloruro de sodio dibujar su estructura de Lewis sigue el siguiente procedimiento:

  1. Escribir la formula química: NaCl
  2. Conocer el tipo de enlace: iónico.
  3. Realizar la configuración electrónica, considerando el efecto de las cargas en el anión y catión.

 

  1. Realizar la estructura de Lewis.


Excepciones de la regla del octeto

La regla del octeto no se cumple para todos los compuestos químicos, las excepciones se pueden resumir en tres casos:

  • Moléculas que tienen un número impar de electrones

La presencia de un número de electrones impar hace imposible que los mismos se apareen totalmente y por tanto al menos uno de los átomos involucrados no alcanza el octeto. Por ejemplo el monóxido de nitrógeno (NO).

Estructura de Lewis del monóxido de nitrógeno.

 

  • Moléculas con menos de ocho electrones

Son aquellas moléculas donde un átomo o ion de la misma no puede alcanzar el octeto, un caso emblemático es el trifloruro de boro (BF3).

Estructura de Lewis del trifloruro de boro.

 

  • Moléculas con más de ocho electrones

Son compuestos químicos donde al menos uno de los átomos o iones sobrepasa los ocho electrones en la capa de valencia. Algunos ejemplos representativos son el pentacloruro de fosforo (PCl5).

Estructura de Lewis del pentacloruro de fosforo.

¿Qué debes saber para dibujar estructuras de Lewis?

Para dibujar una estructura de Lewis es necesario dominar los conceptos básicos de la química y sus elementos. Algunas de las consideraciones a tener en cuenta son:

  1. Determinar los electrones de valencia de los elementos involucrados, para ello se puede usar una tabla periódica. También es importante recordar que en el caso de los iones se deben sumar o restar electrones en la capa de valencia; para los aniones cada carga negativa significa que se debe sumar un electrón, en tanto, para los cationes una carga positiva implica que se debe restar un electrón.
  2. Escribir los símbolos químicos e indicar que tipo de enlace los une. Por lo general, las fórmulas químicas indican el orden de unión de los átomos mientras que la naturaleza del enlace está determinada por la diferencia de electronegatividad que existe entre los mismos.
  3. Completar primero los octetos de los elementos unidos al átomo central.
  4. Colocar los electrones faltantes en el átomo central aun si no cumplen con la regla del octeto.
  5. Cuando el átomo central no cumple con el octeto es recomendable probar con enlaces múltiples.
  6. Conocer las excepciones de la regla del octeto.

Reacción ácido-base

Una reacción-ácido base se puede observar en la vida cotidiana, como es el caso de los antiácidos que son usados para tratar la acidez en algunas personas. Su principio es sencillo, comúnmente son compuestos básicos que sirven para neutralizar la acidez de los jugos gástrico, por esta razón las reacciones ácido-base son conocidas también como reacciones de neutralización.

Conceptos básicos

  • Reacción química

Proceso en el cual una o varias sustancias (denominadas reactivos o reactantes) sufren una transformación en su estructura molecular y en los enlaces, de manera que originan otras sustancias diferentes o productos.

  • Ácido

Compuesto químico que al disolverse en agua origina un incremento en la concentración de los iones de hidrógeno.

El fisicoquímico Gilbert N. Lewis, por su parte, lo define de manera más amplia como aquella especie química capaz de aceptar un par de electrones de otra especie.

Los ácidos tienen un sabor es agrio, un ejemplo es el jugo de limón que contiene ácido cítrico, de hecho, la palabra ácido proviene del término latino acidus que significa “ágrio”.

El vinagre es un tipo de ácido usado en la cocina y se denomina ácido acético.
  • Base

A lo largo de la historia se han realizado numerosos esfuerzos para definir a estos compuestos. Una de las definiciones más recientes es la de Lewis, que lo describe como aquella sustancia capaz de donar un par de electrones.

Las bases son resbalosas al tacto y su sabor es amargo, un ejemplo se observa en el jabón que es un tipo de base.

Las bases son solubles en el agua.

Reacciones ácido-base

De la misma forma en la que se han planteado diferentes definiciones para los ácidos y para las bases con el paso del tiempo, también han surgido descripciones alternativas para las reacciones de ácido-base. Uno de los primeros en estudiar a este tipo de reacciones fue el químico sueco Svante Arrhenius, quién sostenía que eran reacciones en las que los ácidos formaban cationes de hidrógeno H+ (que luego se demostró que no existen de forma aislada sino en la forma de H3O+ o ión hidronio) y las bases formaban aniones OH.

Definición según Svante Arrhenius

Es aquella reacción química producida entre un ácido y una base para formar una sal y agua.

Cumple la siguiente forma: Ácido+ + base-→ sal + agua

Por ejemplo: HCl + NaOH → NaCl +H2O

Aunque la definición de Arrhenius era sencilla, tenía sus limitaciones, por ejemplo se cumplía solamente en una solución acuosa. Por esta razón, los científicos Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry plantearon una definición en función de la capacidad que tienen las bases de aceptar protones y los ácidos de cederlos, desde este punto de vista se consideran tanto al concepto planteado por Arrehnius como a las reacciones de ácido-base en soluciones no acuosas.

El planteamiento Brønsted-Lowry no se limita a un medio acuso pero se enfoca únicamente a los ácidos que contienen hidrógeno.
Definición según Johannes Nicolaus Brønsted y Thomas Martin Lowry

Reacción química en la que la que se elimina un catión hidrógeno del ácido el cual se adiciona posteriormente a la base.

Como fórmula general se tiene: AH + B → base conjugada + ácido conjugado

Dónde:

AH = ácido B = base

Base conjugada: ión o molécula que resulta del ácido y cede el protón.

Ácido conjugado: ión o molécula resultante de la base que gana el protón.

Por ejemplo: CH3COOH(ácido) + H2O(base)→ CH3COO(base conjugada) + H3O+(ácido conjugado)

 

El agua (H2O) es una sustancia anfótera, es decir, puede comportarse como ácido o como base según el caso.

Posteriormente, el fisicoquímico estadounidense Gilbert N. Lewis no se fundamentó ni en la ionización en un medio acuoso planteada por Arrhenius ni en la transferencia de protones de Brønsted-Lowry, sino que por su parte analizó la transferencia de electrones que se produce en las reacciones de ácido-base. En este sentido, se define a la base como el compuesto capaz de donar un par electrónico y al ácido como el compuesto capaz de recibirlo. A través de este planteamiento se pudieron incluir sustancias que anteriormente no se consideraban en las definiciones anteriores.

Todas las sustancias catalogadas como ácidos en el planteamiento Brønsted-Lowry también son ácidos para Lewis ya que aceptan el par electrónico.
Definición según Lewis

Reacción química que se produce como producto de la donación del par electrónico de la base al ácido. El resultado es un enlace covalente entre los dos compuestos.

Tiene por fórmula general: A + :B → A—B+

Dónde:

A = ácido de Lewis

B = base de Lewis

A-—B+ = compuesto resultante

Por ejemplo: AlCl3 (ácido) + :NH3 (base)→ [Al(NH3)Cl3]

Según la definición de Lewis, la molécula de amoníaco cede su par de electrones sobrante al ácido para producir con este un enlace covalente.

El pH

Permite indicar el grado de acidez o basicidad de soluciones acuosas, sus siglas provienen del fránces pouvoir hydrogène que significa “poder del hidrógeno” debido a que mide la concentración de iones de hidrógeno en dichas disoluciones.

Las sustancias con pH menor a 7 se consideran ácidas, por el contrario de las que tienen un pH superior a 7 que son consideradas como alcalinas.

Las disoluciones se consideran neutras cuando su pH es igual a 7 como es el caso del agua.

Formas de expresar la concentración: Tanto por ciento de masa/masa

Expresar la concentración es muy importante porque permite conocer de forma cuantitativa las características de una sustancia y de esta forma se puede evaluar, por ejemplo, la calidad de un producto en una fábrica o conocer su impacto ambiental. En el siguiente artículo se muestran los cálculos de concentración en porcentaje masa/masa.

Términos básicos

Solución: sistema homogéneo, es decir, que presenta las mismas propiedades fisicoquímicas en toda su masa. Las soluciones se encuentran formadas por dos componentes denominados solvente y soluto.

Solvente: es la cantidad que generalmente se encuentra en mayor proporción dentro de la solución y contiene al soluto. Un ejemplo lo representa una solución de agua y azúcar, el solvente corresponde al agua y el azúcar al soluto.

Los términos solvente y solución también son llamados algunas disolvente y disolución.

Soluto: es la sustancia disuelta en otra y que generalmente se encuentra en menor proporción respecto al solvente.

La palabra soluto proviene de la palabra latina solutus que significa “disuelto”.

¿Sabías qué...?
Es posible encontrar soluciones con dos o más solutos. Este principio también se puede aplicar para los gases y los sólidos.

Tanto por ciento masa/masa (%m/m)

La concentración es la relación entre la cantidad de soluto y solvente, y puede expresarse de diferentes formas. Una de éstas es tanto por ciento en masa o también denominada tanto por ciento en peso o riqueza.

La masa no cambia debido a variaciones de presión, temperatura o fuerzas gravitatorias, es por ello que la concentración % m/m proporciona gran exactitud en los cálculos.

El porcentaje masa-masa se define como la unidad física que determina la concentración en gramos (g) de soluto contenidos en 100 gramos de solución. De esta forma, si una solución tiene una concentración de 20 % en m/m, quiere decir que en 100 gramos de solución se encuentran disueltos 20 gramos de soluto y el resto, los 80 gramos corresponden a la masa del solvente. De este principio se deduce que a partir de la sumatoria de los gramos de soluto y de los gramos de solvente se obtienen los gramos totales de la solución.

La fórmula para calcular el % m/m es:

La fórmula para calcular los gramos de solución es:

Dónde:

(%m/m): concentración masa-masa.

msol: gramos de la solución.

msto: gramos del soluto.

mste: gramos del solvente.

La concentración masa-masa puede expresarse en cualquier unidad de masa, sin embargo, es importante considerar que se debe usar la misma unidad durante todos los cálculos. Usualmente, en la práctica se emplea la unidad de gramo debido a que se trabaja con pequeñas cantidades.

Estudiemos ahora algunas situaciones en las que se puedan usar los cálculos de concentración de masa-masa.

  1. Un científico disuelve 10 g de NaOH en 490 g de agua. ¿Cuál es la concentración de la solución expresada en masa-masa?

Datos:

 = 10 g

 = 490 g

Se calcula la masa de la solución:

Una vez conocida la masa de la solución se puede aplicar la ecuación para el cálculo de la concentración:

La concentración se expresa en porcentaje por lo tanto es adimensional (sin unidades).
  1. Una fábrica desea preparar 250 g de solución acuosa de bicarbonato de sodio (NaHCO3) al 3 % m/m, ¿qué cantidad de bicarbonato se debe usar para preparar una solución de dicha concentración? ¿cuántos gramos de agua se necesitan?

Datos:

 = 250 g

 = ?

= 3 %

 = ?

  1. Calculo de la cantidad de bicarbonato de sodio.

De la ecuación principal de concentración se pueden despejar los gramos de soluto que corresponden a los gramos de bicarbonato de sodio requeridos:

Se sustituyen en la fórmula los valores conocidos y se despeja :

Por lo tanto, para obtener 250 g de solución acuosa al 3 % m/m, se deben agregar 7,5 g de bicarbonato de sodio.

  1. Calculo de los gramos de agua.

El agua es el solvente de la solución, por lo tanto, lo que se quiere calcular es la masa del solvente o . A partir de la ecuación de masa de solución se puede despejar dicho valor ya que los demás datos son conocidos:

Se sustituyen los valores conocidos y se despeja :

De esta forma, la cantidad de agua que necesita para producir la solución es de 242,5 g.

Recuerda prestar atención en los signos al momento de despejar ecuaciones.
  1. El tanto por ciento en masa de yoduro de potasio es de 3 % en una solución. ¿Cuántos gramos de yoduro de potasio hay en 30 g de solución?

Datos:

 = 3 %

 = 30 g

 = ?

Se sustituyen todos los valores conocidos en la ecuación de concentración y se despeja :

Otras formas de expresar concentración

Existen otras formas de expresar concentración además del porcentaje , como los porcentajes y . En el se define como gramos de soluto disueltos en 100 mililitros de solución y el por su parte se define como los mililitros de soluto disueltos en 100 mililitros de solución.