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¿Qué son los cambios químicos?

Hablar de cambios químicos parece algo muy científico, a todos nos da la sensación que es difícil. Sin embargo, te lo vamos a explicar fácilmente, lo vas aprender para siempre y luego de leer esta nota ya sabrás detectarlos en la vida cotidiana.

Todo lo que nos rodea y ocupa un lugar en el espacio recibe el nombre de materia por definición física. Esa materia posee energía, es perceptible por nuestros sentidos y, por lo tanto, la podemos caracterizar.

La naturaleza está compuesta por materia, abarcando tanto a los seres vivos, como a los factores inorgánicos o abióticos. Si tomamos a la materia y la analizamos, podemos ver que está compuesta por sustancias (agua, tierra, etc.), estas sustancias a la vez están compuestas por elementos, y estos elementos en sus interacciones conforman los distintos tipos de moléculas que componen a todas las sustancias.

La sustancia imprescindible para la vida es el agua; sus moléculas están formadas por la interacción de los elementos Hidrógeno (H) y Oxígeno (O). Específicamente dos átomos de hidrógeno interactúan con un átomo de oxígeno para conformar una molécula de agua, H₂O.

Tenemos que saber que toda sustancia, según esté sometida a distintos parámetros físicos, puede presentarse en distintos estados, estos se denominan estados de agregación, se caracterizan como sólidos, líquidos y gaseosos. Así el agua, se presenta en estado sólido (cristales de hielo), líquido (el agua de lluvia, ríos, lagos…) y gaseoso (vapor de agua, nubes). La dinámica del agua queda representada en el conjunto de cambios físicos, que describe el ciclo del agua. (Ver infografía en las páginas 36 y 37).

Debemos aclarar que todas las sustancias además de adecuarse a las condiciones físicas a las que están sometidas, también están en constante contacto con otras sustancias, y de hecho pueden reaccionar entre ellas, conformando “nuevas sustancias”.
Así, se producen los cambios químicos, dando origen a nuevas sustancias o compuestos químicos. Los cambios químicos también se conocen como reacciones químicas, estas reacciones son más habituales en nuestra vida
diaria de lo que nosotros imaginamos.

Cuando se quema la madera, esta se transforma en ceniza y en humo, mientras el fuego que la quema nos calienta. Como vemos, la madera (sustancia inicial) se transforma en ceniza (sustancia final). Aquí tuvo lugar un cambio químico.

La digestión, la descomposición de los alimentos, la respiración, la fotosíntesis, entre otros, son procesos que suceden en los seres vivos a través de reacciones químicas.

Si dejamos un objeto de hierro a la intemperie, modifica su color, es decir, se oxida, transformándose en óxido de hierro.

Cuando cocinamos se generan cambios químicos, estamos mezclando diversas sustancias para conseguir otras.

Los cambios químicos son procesos en los que cambia la naturaleza de la sustancia formando otras nuevas. La sustancia es modificada irreversiblemente: un papel al ser quemado no puede volver a su estado original. Las cenizas que se obtienen fueron parte del papel original y han sido modificadas químicamente.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CAMBIOS QUÍMICOS

Para determinar si en una sustancia se han generado cambios químicos, no solo deberíamos analizar su composición química con un microscopio, sino que también podríamos realizar ciertas observaciones que nos permitirían llegar a la conclusión de que se ha generado una reacción química. A continuación explicamos los indicios típicos que suelen generarse tras una reacción química:

• Cambio de coloración: esta modificación en las sustancias permite advertir la aparición de una o de varias sustancias nuevas distintas a las iniciales.

• Aparición de sedimento o precipitado: el sedimento es la materia que después de haber estado en suspensión en un líquido, termina en el fondo por su mayor densidad. Un tipo común de sedimentación ocurre cuando el material sólido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo de un río, canal, embalse, etc. Entonces cuando observamos sedimento sobre una sustancia, podemos concluir que una o algunas de las sustancias nuevas formadas son insolubles, es decir, no se diluyen.

• Desprendimiento de gas: esto sucede en algunos casos cuando dos o más sustancias entran en contacto. Debido a que se genera una reacción química aparece una nueva sustancia que se presenta en estado gaseoso a temperatura ambiente.

• Absorción o liberación de calor: los cambios espontáneos de temperatura de la mezcla revelan que se está produciendo una reacción.

• Cambios en otras propiedades: se puede decir que también existe cambio químico cuando se observan modificaciones en la acidez, el olor, las propiedades magnéticas o eléctricas, etc.

LOS CAMBIOS QUÍMICOS EN ECUACIONES

La representación esquemática de las reacciones se denominan ecuaciones; así toda reacción química queda establecida a través de sus sustancias reactivos (R), estos interaccionan entre sí por medio de los átomos que los componen (en toda reacción hay una transferencia de energía), dando lugar a las sustancias productos (P).
Ejemplo:

REACTIVO + REACTIVO ⇒ PRODUCTO
Hierro + Oxígeno ⇒ Óxido de hierro

Las reacciones químicas son estudiadas por los científicos para determinar ciertas combinaciones que permiten la creación de productos. Existen muchas industrias, en las que se realizan reacciones químicas: las materias primas se transforman en otras sustancias diferentes y útiles para el hombre, como por ejemplo, detergentes, plásticos, etc.

LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA

Una de las industrias que mayor impulso dio y da a la sociedad es la industria de la petroquímica, que se ocupa de obtener derivados químicos del petróleo y de los gases asociados.

El petróleo es un líquido viscoso cuyo color va de amarillo ámbar al negro. Se lo encuentra siempre en yacimientos de rocas sedimentarias acompañados de una mezcla de gases naturales como metano y etano. El origen del petróleo se remonta a unos cuantos millones de años atrás, donde restos de organismos, específicamente de plantas, fueron descompuestos y depositados en el fondo del mar. Allí en función de transformaciones químicas (reacciones químicas), llevadas a cabo por microorganismos durante millones de años, se formó el llamado “oro negro” (petróleo). La gasolina, el gasoil, el querosén, el propano, el metano y el butano son algunos de los combustibles fósiles que permiten el desarrollo de productos de la petroquímica.

Esta industria también posibilita la producción de fertilizantes, pesticidas y herbicidas, la obtención de asfalto y fibras sintéticas, y la fabricación de distintos plásticos. Los guantes, los borradores y las pinturas, entre muchos otros artículos de uso cotidiano, forman parte de la producción petroquímica. La combinación entre los petroquímicos básicos y distintos insumos químicos permite obtener petroquímicos intermedios como las resinas en base al metanol (utilizadas para la fabricación de gomas, plásticos, detergentes y lubricantes), los poliuretanos (empleados en la fabricación de chones y plásticos) y los acetaldehidos (que derivan en perfumes, saborizantes y otros).

La industria petroquímica exige importantes medidas de seguridad para evitar daños ambientales ya que sus procesos son potencialmente contaminantes y de alto impacto medioambiental.

Hoy en día para su extracción se invierten millones de pesos; se le llama “oro negro” por el valor que tiene en el mercado, es muy preciado y es esencial para el desarrollo de diversas actividades. Lamentablemente el petróleo, al igual que el agua, es un recurso no renovable, es decir, se formó con la propia dinámica de la tierra y podría terminarse.

Los procesos para la obtención de los productos petroquímicos se llevan a cabo en refinerías e implican cambios físicos y químicos de los hidrocarburos. El proceso básico, que divide al petróleo y al gas natural en diversos compuestos más ligeros, se conoce como cracking (se desdoblan las moléculas).

Ácidos y bases

En la vida cotidiana cuando se habla de los términos ácidos y bases, estos se utilizan para designar si una sustancia tiene un sabor ácido o un sabor agrio, respectivamente. Sin embargo, en el estudio de la química, diferentes científicos han desarrollado teorías a través de los años para describir el comportamiento de estas sustancias, dada la extraordinaria importancia que tienen, tanto en procesos vitales como en operaciones industriales.

PROPIEDADES DE LOS ÁCIDOS Y DE LAS BASES, PRIMEROS ESTUDIOS Y TEORÍAS

Si bien los ácidos y las bases se caracterizan por reaccionar entre sí neutralizando sus propiedades, en diferentes ensayos químicos presentan las siguientes propiedades:

Ácido: los ácidos reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno. Si se les suministra una solución de tornasol (originalmente de color violeta oscuro) se colorean de rojo. Son conductores de electricidad, son electrolíticos. Al reaccionar con una base producen sales. Son corrosivos.

Base: las bases son resbaladizas al tacto (jabonosas). Si se les suministra una solución de tornasol se colorean de azul. Son electrolíticos por tanto son conductores de electricidad. Al reaccionar con un ácido producen sales. Son corrosivos.

El primer químico que estudió el comportamiento de los ácidos y bases fue el francés Antoine-Laurent de Lavoisier, cuando observó que los ácidos se formaban al disolver agua con las sustancias adquiridas de la quema de elementos no metálicos en una atmósfera oxigénica. Por ello Lavoisier designó a los ácidos con el nombre del gas oxígeno, por su nombre griego que significa generador de ácidos.

Más tarde, el químico británico Humphry Davy demostró que el ácido clorhídrico no tiene oxígeno, por lo que luego de otros estudios se llegó a la conclusión de que los ácidos debían sus propiedades a su contenido de hidrógeno y a su capacidad de sustituir dicho contenido por un metal.

TEORÍA DE ARRHENIUS

Las definiciones del químico sueco Svante August Arrhenius, desarrolladas durante el período de 1880-1890, constituyeron los primeros conceptos modernos de ácidos y bases. Arrhenius formuló su teoría de la disociación iónica, según la cual la actividad química y la conductividad eléctrica de las soluciones de los ácidos son el resultado de su disociación reversible de iones, uno de los cuales es el H+, en otras palabras, un ácido, según Arrhenius, es toda sustancia que al ionizarse en agua produce iones hidrógeno como único tipo de catión.

Para el caso de las bases se asumió que en solución acuosa producían un ión oxhidrilo (OH-), de modo que el protón producía las propiedades ácidas y el ión oxhidrilo era el causante de las propiedades básicas. Se comprendía entonces el hecho de que un ácido reaccionara con una base para producir el agua y la sal correspondiente. Los iones H+ y OH- se combinaban para formar agua, dando lugar a la reacción llamada neutralización.

¿Sabías qué...?

El ácido sulfúrico es el compuesto químico que más se produce en el mundo.

Ejemplos:

Ácidos :

H₂SO₄ H+ + HSO₄^–

H₂SO₄ 2H+ + SO₄⁼

Bases:

KOH K+ + OH^–

Ca (OH)₂ Ca⁺⁺ + 2OH^–

Sin embargo, la teoría de Arrhenius condujo a ciertas dificultades: como la naturaleza del protón en la solución, y el hecho de que otras sustancias que no tenían iones oxhidrilo, también actuaban como bases. Por ejemplo, al ser la molécula de agua un dipolo, permite la hidratación de iones, pero si los iones son hidratados, quiere decir que el protón debe estar unido al solvente ¿cómo se explica, entonces, que la disociación ácida genere protones libres? Es que el amoníaco líquido puro se comporta como una base en presencia de ácido clorhídrico, a pesar de que no posee un ión oxhidrilo.

De esta forma la teoría queda restringida, ya que se limita a interpretar el comportamiento de los electrolitos (ácidos y bases) en soluciones acuosas.

TEORÍA DE BRÖNSTED-LOWRY

Dado a los problemas que presentaba la teoría de Arrhenius, en 1923 el químico danés Johannes Brönsted y el químico inglés Thomas Lowry, propusieron una teoría más general, la cual señala que un ácido es toda sustancia capaz de ceder protones y la base es aquella sustancia susceptible de aceptarlos. Dicha teoría indica que solo se puede hablar de un ácido si existe una base y solo se puede hablar de una base si hay un ácido.

La teoría de Brönsted-Lowry abarca cualquier medio para que se dé la reacción ácido-base y no solo el medio acuoso. Al liberarse protones a través del ácido, se forma una nueva especie llamada base conjugada del ácido, la cual capta dichos protones de nuevo, y de igual manera, cuando la base capta protones se forma el ácido conjugado, que trata de cederlos.

A1 (ácido) + B2 (base) B1 (base conjugada) + A2 (ácido conjugado)

Ejemplos

En medio acuoso:

HCl (ácido) + H₂O (base) Cl^– (base conjugada) + H₃O⁺ (ácido conjugado)

H₂O (ácido) + NH₃ (base) OH^– (base conjugada) + NH₄⁺ (ácido conjugado)

En otro medio:

HCl (ácido) + NH₃ (base) Cl^– (base conjugada) + NH₄⁺ (ácido conjugado)

La fuerza de un ácido está relacionada a su capacidad de donar protones, y la fuerza de una base se debe a su capacidad de aceptar protones. Esta fuerza es una medida cuantitativa llamada constante de disociación ácida, es decir, la constante de equilibrio de la reacción, por lo que en la reacción reversible de equilibrio químico, la base 2 y la base 1 compiten por captar un protón estableciendo un equilibrio en función a la fuerza de los ácidos y las bases.

Un ácido fuerte como el ácido clorhídrico, HCl, tiene una gran tendencia a perder un protón, entonces su base conjugada, el ión cloruro Cl- , tiene una tendencia muy pequeña a adquirir un protón, por tanto, es una base débil. Se concluye que la base conjugada de un ácido fuerte es débil, mientras que la base conjugada de un ácido débil es fuerte. Se da la misma conclusión para las bases fuertes.

Como se observa, las definiciones de Brönsted-Lowry amplían los términos de ácido y base al incluir otras sustancias aparte de los iones H⁺ y OH^–. Se debe tomar en cuenta que los iones hidronio se escriben “H⁺” únicamente por comodidad de notación, ya que estos no existen en solución acuosa sino bajo la forma H₃O⁺.

Constante de ionización del agua

Como se observa en los ejemplos anteriores, el agua es una molécula que se comporta como ácido y como base en función al compuesto con el cual reacciona, si es un ácido fuerte o una base fuerte. Por dicho comportamiento es llamada molécula anfótera. A su vez, el agua pura es un electrolito débil que se autoioniza (autoprotólisis) escasamente, disociándose en iones hidronio y oxhidrilo de la siguiente forma:

H₂O + H₂O H₃O⁺ + OH^–

• La reacción de disociación en equilibrio químico ha demostrado experimentalmente que este se encuentra más desplazado hacia la izquierda, es decir, en agua pura el porcentaje de iones hidronio y oxhidrilo es bastante bajo, prevaleciendo las moléculas de agua. La ley del equilibrio químico para el agua pura es:

• Al ser constante la cantidad de moléculas de agua en la reacción de disociación, esta se convierte en otra constante, la cual puede pasar al numerador del primer miembro:

• El producto entre dos constantes es otra constante, que se denominará Kw (del inglés water: agua), por lo que:

• El agua pura a 25 °C posee una misma concentración de iones hidronio e iones oxhidrilo de 1.10-7 mol/L, ya que por cada molécula de agua que se disocia se forma un ión hidronio y un ión oxhidrilo. Al sustituir las concentraciones en la fórmula, queda:

• La igualdad en las concentraciones de los iones hidronio y oxhidrilo se debe a la neutralidad del agua pura, por tanto, si la concentración de iones hidronio es mayor a 1.10-7 mol/L, la de iones oxhidrilo es menor, siendo el agua o solución estudiada, ácida; en el caso contrario, que la concentración de iones oxhidrilo sea mayor a 1.10-7 mol/L, la concentración de iones hidronio será menor, siendo básica la solución acuosa.

¿Sabías qué...?

El cloruro de hidrógeno tiene numerosos usos, por ejemplo, sirve para galvanizar metales y curtir cueros.

TEORÍA DE LEWIS

En el mismo año que Brönsted-Lowry propusieron sus definiciones, el fisicoquímico estadounidense Gilbert Newton Lewis planteó otra definición, la cual se basó en una observación de la reacción de formación de agua, en donde dedujo que los iones OH^– son dadores de electrones y los iones H₃O⁺ aceptores.

La transferencia de electrones le permitió proponer que un ácido es cualquier sustancia que pueda aceptar o compartir un par de electrones, y una base es cualquier sustancia que pueda compartir o donar un par de electrones. Los ácidos y bases según Lewis se pueden clasificar en:

• Ácido: todos los iones positivos son ácidos, en función a su tendencia a combinarse con un par de electrones. Son ácidos todas las moléculas en donde un átomo central tiene un octeto incompleto, o uno o más enlaces múltiples.

• Base: todos los iones negativos son bases en función a su tendencia a donar con un par de electrones. Son bases todas las moléculas en donde un átomo tiene uno o dos pares de electrones no compartidos, o un enlace doble.

Ejemplo:

HCl + NH₃ NH₄Cl

POTENCIAL IÓNICO DE ACIDEZ o pH

Como se indicó anteriormente, al disolver un ácido en agua neutra aumenta la concentración de iones hidronio H₃O⁺ (es decir que [H₃O⁺] ˃ 10-7), convirtiéndose la solución en ácida al disminuir la concentración de iones oxhidrilo; mientras que al disolver una base en agua neutra aumenta la concentración de iones oxhidrilo OH^– (es decir que [OH^–] ˃ 10-7), convirtiéndose la solución en básica al disminuir la concentración de iones hidronio. Como en ambos casos las concentraciones de los iones están relacionadas, la Kw se mantiene constante.

En 1990 el químico danés Soren Peter Lauritz Sorensen, con el objetivo de representar las concentraciones de iones de manera más sencilla que mediante potencias de exponentes negativos, sugirió que se operara con el logaritmo negativo de dicha concentración, al cual denominó pH o potencial de la concentración de iones hidronio, expresión numéricamente igual al logaritmo del inverso o logaritmo negativo de la concentración de iones hidronio, representados en mol/L. Igualmente, para el caso de las bases, el pH es igual al logaritmo del inverso o logaritmo negativo de la concentración de iones oxhidrilo, representados en mol/L.

pH= – log [H₃O⁺]= – log [10^-7]

pH= – log [OH-]= – log [10^-7]

Por ello se puede deducir que para los tipos de soluciones:

Solución	Características	pH, pOH
Neutra	[H3O+]= [OH-] 10-7 = 10-7	7
Ácida	H3O+]>[OH-] [H3O+]>10-7 y [OH-] ˂ 10-7	pH ˂ 7 , pOH ˃ 7
Básica	[H3O+] ˂ 10-7 y [OH-] ˃10-7]	pH ˂ 7 , pOH ˃ 7

En la escala de valores, el pH va desde 0 a 14, es decir, desde las soluciones más ácidas hasta las más básicas. El pH puede ser medido a través de dos métodos conocidos, el potenciométrico y el colorimétrico.

El potenciómetro mide el potencial eléctrico generado por los iones hidronio en la solución a través de una membrana de vidrio, la cual posee una determinada concentración de iones hidronio y es por ello que antes de usar el aparato es necesario calibrarlo.

El método colorimétrico se refiere a las diferentes sustancias utilizadas como indicadores de pH. Estos indicadores son ácidos y bases muy débiles que muestran diferentes colores en estado iónico y en estado molecular. Ejemplos: el tornasol, la fenolftaleína, violeta de metilo, entre otros.

El pH tiene gran importancia en los procesos vitales, ya que para que se dé el funcionamiento adecuado de muchas enzimas, en necesario mantener un pH neutro en el interior de las células. También es importante en las operaciones industriales, por ejemplo en la elaboración y preservación de alimentos.

Los gases

La materia se encuentra en estado sólido, líquido, gaseoso y también como plasma. En este artículo aprenderás todo sobre el estado gaseoso que, generalmente, no se observa a simple vista.

Los globos aerostáticos utilizan un gas liviano como el hidrógeno o el helio para volar.

Según la teoría atómica de la materia, el físico inglés J. Dalton considera que esta se constituye por moléculas a las que se conoce como átomos.

Para distinguir a los gases, es esencial que se tengan en cuenta las diferencias entre los distintos estados de agregación:

ESTADOS	CARACTERÍSTICAS	DISTRIBUCIÓN DE LAS PARTÍCULAS	EJEMPLOS
Sólido	-Posee su propia forma. -Tiene volumen propio. -Mantiene su estructura compacta.		Roca Hierro Hielo
Líquido	-Carece de forma. -Posee su propio volumen. -Ocupa el recipiente que lo contiene.		Agua Leche Jugo
Gaseoso	-Carece de forma. -No posee volumen propio. -Ocupa todo el recipiente donde se encuentra.		Helio Hidrógeno Oxígeno

Partículas gaseosas industriales dispersas en la atmósfera.

Propiedades de los gases

Un gas ideal posee ciertas propiedades que describen su comportamiento, entre ellas podemos mencionar:

Un gas está constituido por partículas que se mueven constantemente al azar en línea recta.
No poseen volumen ni forma propia.
Estas partículas chocan contra los recipientes.
Las partículas del gas son muy pequeñas.
No existe fuerza de atracción entre las partículas.
Su movimiento es aleatorio y puede aumentar la velocidad al aumentar la temperatura, es decir, a mayor temperatura mayor rapidez, y viceversa.
Cuando dos partículas chocan hay fuerza de interacción entre ellas.
Cumplen con la ley de los choques elásticos, ya que se conserva la energía cinética de las partículas.
A mayor cantidad de veces que las moléculas chocan en el recipiente, mayor presión, del mismo modo a la inversa. Esto varía acorde a la fuerza cinética de las moléculas y su temperatura.

Esquema del movimiento de las partículas en el estado gaseoso.

Los gases cuentan con una unidad física llamada presión (P), que se define como fuerza por unidad de superficie, es decir, la presión es la cantidad de veces que las moléculas chocan contra el recipiente. Esta presión es medida en:

Atmósferas: Cuyo símbolo será atm.
Milímetros de mercurio: Cuyo símbolo será mmHg.
Pascales: Su símbolo es Pa.

1 atmósfera equivale a 760 milímetros de mercurio y a 101.300 pascales.

¿Sabías qué...?

El dióxido de carbono es el causante del calentamiento global, este compuesto se acumula en la atmósfera y provoca el efecto invernadero.

La temperatura en los gases no se mide en grados Celsius (ºC) sino en Kelvin (K). Siendo 0 K la temperatura absoluta, ya que no hay temperaturas menores a esta. Para pasar de ºC a K solo hay que sumarle 273,15 a la temperatura en grados centígrados que se desea convertir a Kelvin, por ejemplo, si la temperatura es de 14 ºC, se suma con los 273,15 quedando así:

K = ºC + 273,15
K = 14 + 273,15 = 287,15 K

Los gases ideales tienen una ecuación general:

P.V=n.R.T

Donde:
P = Presión de las moléculas. (Se mide en atm, atmósferas)
V = Volumen del recipiente. (Se mide en L, litros)
n = Número de moles. R = Constante de los gases. (0,082 L.atm/K.mol )
T = Temperatura. (Se mide en K, Kelvin)

Leyes de los Gases Ideales

Ley de Boyle y Mariotte

Robert Boyle, físico y químico irlandés considerado el padre de la química moderna por su aporte a las leyes de los gases.

Cuando la variable constante es la temperatura, ocurre una transformación isotérmica. Analizaremos una situación inicial con respecto a una situación final:

Situación inicial → Situación final

Partiendo de la fórmula:

Pi. ViTi=Pf. VfTf

que surge de la ecuación general de los gases ideales.

Simplificamos las temperaturas porque su valor es el mismo y nos queda:

Pi. Vi = Pf. Vf

El producto de la presión inicial por el volumen inicial debe ser igual a la presión final por el volumen final, ya que lo que se mantiene constante es la temperatura.

Por ejemplo, si tenemos un recipiente de 8 cm³ y otro de 4cm³, con la misma cantidad y clase de moléculas, la presión del recipiente más pequeño es mayor porque a menor tamaño del receptáculo más veces chocan las moléculas con las paredes. Si aumenta la presión, disminuye el volumen, o al revés.

“A temperatura constante, para una determinada cantidad de gas, el producto presión por volumen permanece constante”.

LEYES DE CHARLES Y GAY LUSSAC

Cuando la presión es constante, es decir, el sistema es isobárico, se realiza el siguiente procedimiento:

Pi. ViTi=Pf. VfTf

Al ser la presión constante, nos queda:

ViTi=VfTf

Entonces, si aumentamos la temperatura en la situación final (Tf), el volumen (Vf) debe aumentar en forma proporcional, debido a que en este caso tomamos a la presión como constante.

“A presión constante, para una determinada cantidad de gas, el cociente entre temperatura y volumen permanece constante”.

Otra ley, deducida del mismo modo que la anterior pero utilizada cuando las variables son presión y temperatura, tiene en cuenta el siguiente desarrollo:

El volumen es constante (proceso isocórico), es decir, el volumen inicial (Vi) es igual al volumen final (Vf). Si aumentamos la temperatura final (Tf) aumenta la energía con la que las moléculas se mueven dentro del recipiente, pero en este caso como el volumen es igual, la presión es mayor.

“La presión de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta (a volumen y cantidad de materia constantes)”.

Ley de Avogadro

Esta ley fue propuesta por el italiano Amadeo Avogadro y establece que si dos gases diferentes son constantes en su temperatura y presión, entonces el volumen del gas es directamente proporcional a la cantidad de moles de moléculas.

“A presión y temperatura constantes, volúmenes iguales de un mismo gas o gases diferentes contienen el mismo número de moléculas.”

Con esta ley se terminan de describir las 4 leyes que estudian el comportamiento del sistema de gases ideales estudiadas y planteadas por grandes químicos y físicos, cuyos nombres hacen referencias a las leyes que propusieron.

¿Sabías qué...?

El oxígeno es considerado el gas más importante ya que, sin él se extinguiría la vida en los organismos heterótrofos, siendo imposible la respiración.

Aplicaciones y usos de los Gases

Los gases tienen muchas aplicaciones que son muy beneficiosas en la vida humana. En la siguiente tabla mencionaremos algunos gases comunes, su uso y aplicación en las diferentes áreas.

Gas	Fórmula	Aplicación industrial	Aplicación médica	Otros usos	Ejemplo
Oxígeno	O₂	En procesos de combustión da eficiencia térmica, oxigenación de estanques para la reproducción de peces, en soldadura para cortes.	En cirugías cardíacas, para incrementar el oxígeno en el cuerpo, en casos de asfixia, intoxicaciones por monóxido de carbono, tratamiento de infecciones.	En investigaciones científicas del oxígeno, tratamiento de aguas residuales.
Dióxido de carbono	CO₂	Como conservantes de bebidas gaseosas, como extintor de fuegos en incendios.	En mezclas con aire y oxígeno como estimulante de la respiración, criocirugía, cirugía laparoscópica.	En el cultivo de microorganismos como medio anaeróbico.
Helio	He	Usado en la soldadura de arco como gas protector.	Bomba de globo en la aorta, mezclas para respirar.	En globos para decoración y globos aerostáticos.
Nitrógeno gaseoso	N₂	Antioxidantes en empaques de alimentos, en pinturas y barnices, en la desoxidación de metales, creación de refrigeradores.	En mezclas para respirar y refrigerante en láser del CO₂.	En cromatografía de gases como gas inerte.
Etileno	C₂H₄	En combinación con otros hidrocarburos sintetizan cauchos.	Se utiliza como anestésico.	Se emplea para la maduración de frutas.
Hidrógeno	H₂	Obtención de gasolina a través del petróleo, cambios de aceites en grasas, soldadura de aluminio.	Como sulfuro de hidrógeno en cirugías cardíacas, como peróxido de hidrógeno para limpiar heridas.	En cromatografía de gases en investigaciones analíticas.
Óxido Nitroso	N₂O	Como anestesia en cirugías, tratamientos de tumores.	Agente propelente en algunas cremas para el consumo.	En carreras de autos como aditivo para combustibles.
Xenón	Xe	Limita la degradación de los bombillos incandescentes.	Utilizado para crear lámparas estroboscópicas usadas por los otorrinolaringólogos.	Propulsa satélites, ajustando su trayectoria.
Criptón	Kr	Limita la degradación de los bombillos incandescentes.	En máquinas para resonancia magnética.	Se usa como láser para fabricar pantallas planas.

Conceptos de ácido y base: el producto de solubilidad

La solubilidad de una sustancia en un disolvente depende de la temperatura y de la presión, la influencia de esta última es muy pequeña cuando el soluto es un sólido. Puede expresarse en cualquiera de las diversas maneras (normalidad, molaridad, gramos de soluto por litro de disolvente, etc.) que ya conocemos.

Para el caso de las sales poco solubles resulta además muy útil definir el producto de solubilidad. Para definir este concepto, consideremos la disolución en agua de una sal muy poco soluble, tal como el sulfato de bario, BaSO₄.

En una disolución de esta sal, parte de las moléculas de BaSO₄ estarán disociadas en iones, según la ecuación:

Si se trata de una disolución diluida podremos aplicar a ese equilibrio la fórmula de la constante de ionización. Tendremos:

Pero puesto que el sulfato de bario es muy poco soluble en agua, la ecuación anterior puede aplicarse también a la disolución saturada, ya que el BaSO₄ disuelto se encontrará en equilibrio con el BaSO₄ precipitado. El denominador es en este caso constante y puede escribirse:

K ^. [BaSO₄] = [Ba²⁺]^. [SO₄ ^2-]

Esta expresión se denomina producto de solubilidad. Su símbolo es K_s.

K_s = [Ba²⁺]^. [SO₄ ^2-]

El valor del producto de solubilidad es constante para cada temperatura.

Ejemplos:

1) Las concentraciones de las sustancias que participan en la reacción con H₂ son:

-De H₂ igual a 0,002 molar

-De I₂ igual a 0,002 molar

-De IH igual a 0,014 molar

Hallar el valor de la constante de equilibrio.

Solución:

La fórmula de la constante de equilibrio es:

Por tanto, sustituyendo valores, será:

2) Si en la reacción anterior, a una cierta temperatura, la constante de equilibrio es 0,50 y en 40 litros de disolución hay 2 moles de hidrógeno y 8 de yodhídrico, hallar los moles de yodo que existen.

Solución:

De la fórmula:

conocemos:

K = 0,50

[H₂] = 2 moles de hidrógeno / 40 litros de disolución = 0,05 molar

[IH] = 8 moles de á. yodhídrico / 40 litros de disolución = 0,2 molar

[I₂] = x moles de yodo / 40 litros de disolución = x / 40 molar

En consecuencia:

es decir,

3) En la reacción PCl₅ PCl₃ + Cl₂ 32Kcal/mol

que se desarrolla a presión constante, se tiene que [PCl₅] = 0,2 molar; [PCl₃] = [Cl₂] = 0,01 molar. a) Calcular la constante de equilibrio; b) indicar qué ocurriría si se elevase la temperatura; c) qué sucedería si se redujese la presión; d)y qué si se incrementase la concentración de PCl₅ a 0,5 molar, permaneciendo constantes tanto la presión como la temperatura.

Solución:

b) Por tratarse de una reacción endotérmica, al elevar la temperatura se favorece la formación de PCl₅ y, en consecuencia, la disminución de las concentraciones de PCl₃y de Cl₂ (desplazamiento del equilibrio hacia la izquierda).

c) Al haber más moles gaseosos en el segundo miembro de la reacción que en el primero, una disminución de la presión hace aumentar las concentraciones de PCl₃ y de Cl₂ en detrimento de la concentración de PCl₅ (desplazamiento del equilibrio hacia la derecha).

d) Si se aumenta la concentración de PCl₅, correlativamente han de incrementarse la de PCl₃ y la de Cl₂ para que la constante de equilibrio no se modifique.

Para averiguar cuánto valen las nuevas concentraciones utilizaremos la fórmula de K:

4) Hallar la concentración de iones hidronio en una disolución de ácido acético, CH₃ COOH, 1M sabiendo que la constante de disociación vale 1,8·10^-5.

Solución:

La reacción de ionización es:

por lo que la constante de ionización será:

Sustituyendo:

Resolviendo esta ecuación de segundo grado, resulta:

x = 0,0043 molar.

5) Hallar la molaridad de una disolución de HCl cuyo pH es 2.

Solución:

pH = log₁₀ 1 / [H₃O^–] = -log₁₀ [H₃O⁺] = 2

Es decir,

log₁₀ [H₃O⁺] = -2.

y, tomando antilogaritmos:

[H₃O⁺] = 10^-2 = 0,01 molar

6) Hallar el producto de solubilidad del BaSO₄ sabiendo que a la temperatura de 50 °C su concentración es 1,4 · 10^-5 molar.

Solución:

De la reacción:

se deduce que el producto de solubilidad vale:

Ks = [Ba²⁺]^.[SO₄ ^2-]

Por tanto,

K_s = (1,4 · 10^-5)·(1,4 · 10^-5) = 1,96·10^-10.

Conceptos de ácido y base: el concepto de Brönsted y Lowry.

Los iones H₃O+ y OH-, cuya presencia caracteriza respectivamente las disoluciones acuosas de ácidos y de bases, se forman en realidad a partir de moléculas de agua que, respectivamente, incorporan o pierden un ion H+ o, lo que es lo mismo, un protón. Con otros disolventes distintos del agua, los ácidos y las bases se comportarían del mismo modo, es decir cediendo o aceptando protones, pero los iones formados serían distintos en cada caso.

A partir de estas y similares consideraciones, en 1923, Brönsted y Lowry propusieron, independientemente uno de otro, las siguientes definiciones de ácido y de base: ácido es toda sustancia que puede ceder protones, y base toda sustancia que puede ganar protones. Es decir, un ácido es propiamente un dador de protones, mientras que una base es un aceptor de protones. Pero, puesto que el proceso de perder o ganar un protón es reversible, el ácido, al perder un protón, se transforma en una base y, a su vez, esta, al ganarlo, se transforma en un ácido. Así, pues, un ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.

Thomas M. Lowry fue un químico británico. Trabajó en el campo de la química-física y propuso, junto con Brönsted, un concepto innovador de ácido y base.

Ácido Protón + Base

Como un protón no puede tener una existencia libre en disolución, debe incorporarse a otra sustancia que se comporta así como base. Los equilibrios se establecen pues en sistemas conjugados dobles del tipo:

Ácido1 + Base2 Ácido2 + Base1

En los que, cuanto más fuerte es un ácido, más débil es su base conjugada y, cuanto más fuerte es una base, más débil es su ácido conjugado. Ejemplos:

HCl + NH₃ NH₄ + + Cl-

H2SO₄ + H₂O H₃O+ + HSO₄ –

HSO₄ – + H₂O H₃O+ + SO₄ –

Según la teoría de Brönsted y Lowry, un ácido y una base pueden ser tanto compuestos moleculares como iones, y una misma sustancia molecular o iónica puede actuar en un caso como ácido y en otro como base. Por ejemplo, el agua actúa como base frente al cloruro de hidrógeno y como ácido frente al amoníaco. En disoluciones no acuosas se forman iones distintos de los iones H₃O+ y OH-, pero el proceso es esencialmente el mismo; así, disueltos en amoníaco, NH₃, sustancia que como disolvente tiene un comportamiento muy similar al del agua, los ácidos dan lugar a la formación de iones amonio, NH₄ +, y las bases a la formación de iones amida, NH₂ -.

Johannes Brönsted

Fue un químico y físico danés. Investigó en termodinámica. Su contribución más importante fue su nuevo concepto de ácido y base.

Conceptos de ácido y base: el concepto de Lewis

La principal dificultad de las definiciones de ácido y base de Brönsted y Lowry es que solo pueden aplicarse a reacciones que implican la transferencia de un protón, por lo que para que una sustancia pueda actuar como un ácido en el sentido de la definición de Brönsted-Lowry debe contener en su molécula un átomo de hidrógeno ionizable.

Sin embargo, hay muchas reacciones en las que una sustancia que de acuerdo con la teoría de Brönsted-Lowry no sería un ácido se comporta realmente como tal en el sentido más clásico del término (el de formador de sales). Así, por ejemplo, en ausencia de disolvente y, por lo tanto, sin que exista transferencia de protones, el dióxido de carbono, CO₂, reacciona con un óxido básico como el óxido de calcio, CaO, para formar una sal:

CaO + CO₂ CaCO₃

El problema estriba esencialmente en el injustificado papel especial que la teoría de Brönsted-Lowry otorga al protón. Para superar esta dificultad, Lewis propuso en 1923 un innovador concepto de ácido y base. El nuevo punto de vista no tuvo apenas eco en el mundo científico hasta que el propio Lewis volvió a presentar sus ideas más ampliamente desarrolladas en 1938. De acuerdo con esta teoría, un ácido es toda sustancia (molecular o iónica) que puede aceptar un par de electrones, y una base toda sustancia que puede ceder un par de electrones. En otras palabras, un ácido debe tener su octeto de electrones incompleto y una base debe poseer un par de electrones solitarios. Entonces, la unión de un ácido y una base corresponde a la formación de un enlace covalente dativo o coordinado.

El concepto de base propuesto por Lewis coincide esencialmente con el de Brönsted-Lowry, ya que para que una sustancia pueda aceptar un protón (es decir, comportarse como base en el sentido de Brönsted-Lowry) debe poseer un par de electrones no compartidos. Por ejemplo, la molécula de agua, H₂O, y el ion cloruro, Cl^–, que pueden aceptar un protón, tienen las siguientes estructuras electrónicas:

o sea, que poseen un par de electrones no compartidos que pueden emplear para aceptar un protón, formando, respectivamente, el ion H₃O⁺ y la molécula HCl:

Evidentemente, tanto el agua como el ion cloruro pueden comportarse como bases de Lewis cediendo un par de electrones no compartidos a un ácido. Vemos, pues, que, respecto al concepto de base de la teoría de Brönsted-Lowry, el concepto propuesto por Lewis no amplía de forma significativa el número de compuestos que pueden ser considerados como bases.

Sin embargo, el caso es radicalmente distinto para el concepto de ácido. Para empezar, hay sustancias que son ácidos de acuerdo con la definición de Brönsted-Lowry y que no lo son en el sentido de Lewis. Por ejemplo, para Lewis el HCl no es realmente un ácido sino la combinación de un ácido (H⁺) y una base (Cl^–); ya vimos que el ion Cl^– es una base tanto según la definición de Brönsted-Lowry como de Lewis y ahora justificaremos que el ion H⁺ es un ácido en el sentido de Lewis mediante la reacción:

H⁺ + H₂O H₃O⁺

En la que el H⁺ acepta un par de electrones de la molécula de agua para formar un ion H₃O⁺, y se comporta por lo tanto, como un ácido. También deben ser considerados como ácidos en el sentido de Lewis los cationes metálicos, que aceptan pares de electrones al hidratarse o solvatarse. Y, volviendo a la reacción que escribimos más arriba entre el dióxido de carbono y el óxido de calcio:

CaO + CO₂ CaCO₃

También aquí debemos considerar que el CO₂ es un ácido en el sentido de Lewis, ya que en esta reacción el átomo de carbono del CO₂ acepta en covalencia dativa un par de electrones cedidos por el átomo de oxígeno del CaO:

El modelo de Lewis se utiliza en química orgánica para explicar el comportamiento catalítico de algunos compuestos que son ácidos de Lewis, pero, en general, cuando se estudian reacciones que tienen lugar en disolución acuosa o simplemente que implican una transferencia de protones, la generalización propuesta por Lewis resulta innecesaria y los químicos razonan en estos casos a partir de los conceptos de Arrhenius o de Brönsted-Lowry.

Gilbert N. Lewis (1875-1946)

Físico y químico estadounidense. Fue profesor en la Universidad de California, en la que introdujo la termodinámica como asignatura a principios de siglo. Publicó un libro de texto en 1923 que llegó a ser un libro clásico sobre termodinámica que incluía todos los avances del momento. Estudió el enlace covalente y, en 1926, propuso el nombre de fotón para el cuanto de energía electromagnética.

Fuegos artificiales

El descubrimiento de lo que hoy en día se conoce como fuegos artificiales o juegos pirotécnicos data del siglo XII en China, relacionándosele con la aparición de la pólvora negra. Posteriormente su uso se fue expandiendo a nivel mundial y con esto se fue perfeccionando su técnica, pero no es hasta el siglo XIII cuando llega a Europa.

Hasta el siglo XIX los fuegos artificiales eran exclusivamente de color amarillo, por lo que se dice que eran monocromos (con un sólo color), esta coloración se la proporcionaba la mezcla de sus componentes con sodio. Sin embargo, en Europa (España e Italia, principalmente) los maestros pirotécnicos trabajaban aislados y en secreto desarrollando nuevas técnicas para lograr un mayor impacto visual en el público, obteniendo así la coloración roja al adicionar estroncio en la mezcla. Cuando incorporaron diferentes sales de clorato, para formar a partir de ellas los cloruros, se obtuvo la gran gama de colores que hoy en día conocemos.

En sí, los fuegos artificiales son producidos y funcionan como resultado de la mezcla de diferentes compuestos químicos que reaccionan entre sí bajo ciertos requerimientos, entre ellos la presencia de oxígeno necesaria para la combustión.

Se llama combustión a la unión de dos componentes (combustible y comburente) que forman nuevas sustancias al reaccionar, generando de esta forma luz y calor.

La pólvora negra produce gran cantidad de humo y residuos al quemarse.

La pólvora negra, ya sea pulverizada (polvorín) o no, es el compuesto más empleado para acelerar el proceso de combustión en los fuegos artificiales, ya que el nitrato, uno de sus constituyentes, proporciona el oxígeno necesario para la combustión completa en un espacio carente de aire.

Estas sustancias comienzan a reaccionar cuando se enciende la mecha del dispositivo del fuego artificial, en dicho momento se produce una reacción de transferencia de electrones, en la que los átomos del combustible aportan electrones a los átomos del oxidante y se mezclan con el oxígeno, de tal forma que los nuevos enlaces que se forman son más estables que los iniciales y por ello se libera energía en forma de luz y calor.

Las mechas tienen una longitud adecuada, para permitir que la persona pueda retirarse antes de la explosión.

¿Sabías qué...?

Los fuegos artificiales deben ser almacenados en lugares frescos, secos y ventilados, para evitar explosiones.

En la siguiente tabla se muestran algunos de los compuestos que aportan coloración en los fuegos artificiales:

Sustancias Colorantes que componen los fuegos artificiales

Cada color presenta una longitud de onda diferente, característica que permite que los colores sean diferenciados por el ojo humano, por ejemplo: el rojo tiene una mayor longitud de onda (620–750 nm) que el azul (450-495 nm).

nanómetro (nm)= Medida de longitud equivalente a 0,000 000 001 m, en notación científica: 10-9 m.

Los colores de los fuegos artificiales dependen de las sales o metales que contengan.

Aunque están constituidos por los mismos componentes químicos, continuamente aparecen en el mercado diferentes tipos de fuegos artificiales (baterías, tracas, petardos, etc.) que están destinados a sorprender cada vez más, por su variedad de colores y formas.

Algunos funcionan a nivel del suelo y otros a grandes alturas, pero básicamente a lo largo del tiempo se han mantenido dos tipos principales:

Las luces de bengala, por lo general son las que representan un menor riesgo, puesto que consisten en una varilla de tamaño medio cubierta por pólvora hasta cierto nivel, la cual al ser encendida genera pequeñas chispas que van aumentando-disminuyendo de intensidad a medida que se va consumiendo la pólvora.

Algunas veces a las bengalas se les adiciona aluminio o magnesio en polvo, de manera que se crean chispas brillantes y relucientes.

Los fuegos artificiales aéreos, como su nombre lo indica, se construyen para que exploten y puedan ser observados en el cielo a una cierta altura y por un mayor número de personas. Están conformados por una envoltura que consta de cuatro partes: contenedor, esferas, carga explosiva y fusible.

A diferencia de las bengalas, los fuegos artificiales aéreos explotarán y producirán brillantes destellos de luz coloreada directamente en el cielo, esto ocurre cuando la envoltura del fusible se quema al alcanzar la altura suficiente para no causar una lesión a las personas que lo observan. Es allí cuando el fusible enciende la carga explosiva y se genera la explosión.

La explosión activa las esferas que contienen la pólvora y es entonces cuando comienza a arder con chispas relucientes y abundantes en todas las direcciones. El patrón o forma mostrada en el cielo depende de la disposición de la pólvora dentro de la esfera resguardada.

Pero la verdadera explicación técnica por la cual se pueden llegar a observar las diferentes tonalidades de colores puede ser por dos fenómenos:

Incandescencia: La expresión de la energía calórica (altas temperaturas) es emitida a una determinada frecuencia o longitud de onda, generando la manifestación de los colores.

Luminiscencia: La energía calórica producida es generada por las temperaturas ambientales.

Podemos decir entonces que con la incandescencia se suelen comenzar a observar colores de la zona infrarroja del espectro (rojo, naranja), mientras que por la luminiscencia los colores que se aprecian son todos los que comprenden el espectro visible.

De igual forma, además de las sustancias oxidantes, reductoras y colorantes, deben agregarse a esta mezcla diferentes compuestos que le proporcionen estabilidad, como agentes aglomerantes para cohesionar la mezcla, protegerla de la humedad y garantizar su duración mientras esta almacenada.

Así mismo, el calor que interviene en la explosión de los fuegos artificiales provoca la expansión del aire alrededor de este, lo que hace que el oído humano perciba las ondas emitidas como un intenso sonido. Algunas veces el sonido es tan fuerte que puede provocar que nuestro pecho y pies puedan también sentir la onda vibratoria.

La mecha de los fuegos artificiales debe ser encendida sólo por un adulto, para evitar quemaduras en niños pequeños con el fuego.

Cómo se visualiza el fuego artificial está determinado por el modo en que fue envuelta la pólvora, si se empaqueta en forma de globo, los fuegos artificiales explotarán con aspecto de esfera; si se colocan con estructura de estrella, explotarán con dicha apariencia.

Aplicación de los Fuegos Artificiales

Aunque desde sus inicios los fuegos artificiales han sido utilizados generalmente para dar impresionantes espectáculos con ocasión de fiestas, conmemoraciones, entre otros, estos han sido empleados de diversas formas conforme ha transcurrido el tiempo, actualmente los fuegos artificiales o juegos pirotécnicos son utilizados con los siguientes fines.

¿Sabías qué...?

La quema de los fuegos artificiales debe de ser realizada en terrenos planos para asegurar la estabilidad del producto y por lo tanto nuestra propia seguridad.

Para el señalamiento y localización en caso de accidentes o emergencias en ferrocarriles, transportes terrestres, aéreos y marítimos, así como para la localización de personas.

Para la agricultura y ganadería, como botes fumígenos contra plagas, tiras detonantes y cohetes antigranizo para provocar lluvia y favorecer el riego de los sembradíos.

Bengala de humo para señalamiento, con componentes especiales para funcionar en el agua.

En la industria pesquera suelen utilizarse bengalas submarinas para generar una luz bastante amplia y resistente al agua, la tinta que contiene funciona como un marcador submarino.

En la industria minera se emplean como explosivos para realizar sus actividades de excavación.

En las actividades mineras existes especialistas en explosivos para poder realizar extracciones selectivas de minerales o metales.

En la capacitación y adiestramiento militar sirven para simular explosiones y disparos.

Conceptos de ácido y base: el concepto de Arrhenius

Arrhenius propuso definiciones precisas de ácido, base y sal basadas en su teoría de la disociación electrolítica.

Para Arrhenius, un ácido es cualquier sustancia que en disolución acuosa da iones H+ (o, para ser más precisos y puesto que estos iones se hidrolizan, iones H3O+), es decir que contiene hidrógeno reemplazable por un metal o por un radical positivo para formar sales; una base es cualquier sustancia que en disolución da iones hidroxilo OH- , es decir que contiene uno más grupos hidroxilo reemplazables por radicales ácidos negativos para formar sales; y una sal es un compuesto que se ioniza dando aniones distintos al ion OH- y cationes distintos al ion H3O+. Una sal ácida (NaHSO4, KHCO3, etc.) es la que, además de dar cationes de uno o más metales (sales dobles), da iones H3O+; análogamente, una sal básica (ClSbO, Cl(OH)Ca, etc.) es aquella que, además de los aniones que corresponden a su radical ácido, da aniones OH-. Por oposición a las sales ácidas y a las básicas, las sales normales se denominan sales neutras.

Svante August Arrhenius fue un científico sueco ganador del Premio Nobel de Química en 1903.

Átomo-gramo y molécula-gramo

Un átomo es una pieza fundamental de la materia, todo en el universo (excepto la energía) está hecho de materia y, por lo tanto, todo en el universo está hecho de átomos.

Átomo-gramo de un elemento es un peso de ese elemento igual a su peso atómico expresado en gramos. Por ejemplo, como el peso atómico del níquel es 58,71 el átomo-gramo de este elemento será 58,71 gramos.

Análogamente, para una sustancia, molécula-gramo o mol es un peso igual a su peso molecular expresado en gramos. Por ejemplo, el peso molecular del CaO es 56,08, o sea que un mol de CaO serán 56,08 gramos.

Puede darse una definición similar para equivalente-gramo.

¿Sabías qué...?

Antes de que Dalton lanzara su primer modelo atómico en 1803, Demócrito en el 450 a. C. ya había afirmado que la materia estaba formada por átomos, sin embargo, los estudios no continuaron.

De la definición se deduce que en un mol de cualquier sustancia tiene el mismo número de moléculas (pueden hacerse afirmaciones similares para el átomo-gramo y el equivalente-gramo).

Ese número es el llamado número de Avogadro, se representa como N y vale N = 6,0235·10²³. Proponemos la tarea de razonar cómo el número de Avogadro permite calcular el peso en gramos de cualquier átomo o molécula a partir de su peso atómico o molecular, y de justificar por qué es N = 1/12·P(C12), o sea un doceavo del peso en gramos del átomo del carbono-12.

Modelo atómico

El modelo atómico ha cambiado con el tiempo. Durante más de dos siglos, los científicos han creado diferentes modelos de acuerdo a lo que han aprendido, entre estos modelos están los de: Dalton, Thompson, Nagaoka, Rutherford, Bohr, Sommerfeld, Schrödinger y Dirac.

Afinidad y valencia química

Los elementos químicos son sustancias que no pueden descomponerse en sustancias más simples mediante procesos químicos ordinarios. Los elementos son los materiales fundamentales de los que se compone toda la materia.

Valencia y afinidad química

El concepto de afinidad química hace referencia a la tendencia de un átomo o de una molécula a reaccionar o combinarse con otros átomos u otras moléculas distintas. Definido en términos parecidos, el concepto ya fue introducido en la química en el s. XVIII. Pero para que un concepto tenga realmente carácter científico debe estar asociado a una magnitud medible y de ahí que en el s. XIX se explorasen posibles maneras de medir la afinidad. Se asoció finalmente con la disminución de la energía libre (función de estado de un sistema que depende de la concentración de las sustancias, la presión y la temperatura). Sin embargo, nosotros utilizaremos aquí el concepto de afinidad de un modo laxo, como un recurso de lenguaje para expresar la tendencia a reaccionar de dos sustancias, dos moléculas o dos átomos.

¿Sabías qué...?

El 6 de marzo de 1869 fue presentada por el científico ruso Dimitri Mendeleev la primera tabla periódica. El elemento radioactivo mendelevium es un homenaje a él.

Si dos elementos son afines, en condiciones adecuadas reaccionarán para formar un compuesto. Esos dos elementos se combinarán en determinada proporción, lo que sugiere el concepto de valencia química, que puede definirse como un número entero que expresa la capacidad de combinación de un átomo con otros para formar un compuesto. Aclararemos y ampliaremos esta definición con un ejemplo: el hidrógeno y el oxígeno se combinan para dar agua según la reacción

Hidrógeno + oxígeno = agua

La fórmula del agua es H₂O, lo que significa que la molécula de agua está formada por tres átomos: dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Así pues, el oxígeno y el hidrógeno se combinan en la proporción 1:2, es decir, que el oxígeno “vale” o tiene valencia doble que la del hidrógeno. Si damos el valor 1 a la valencia del hidrógeno, la valencia del oxígeno será 2.

Las valencias son el número de enlaces que puede formar un elemento químico.

Análogamente a como hemos razonado la valencia del oxígeno se razona la valencia de otros no metales. Así, para el cloro, puesto que se une al hidrógeno para formar cloruro de hidrógeno (HCl) en la proporción 1:1, la valencia será 1; para el nitrógeno, que se une al hidrógeno para formar amoníaco (NH₃) en la proporción 1:3, la valencia será 3; y para el carbono, que se une al hidrógeno para formar metano (CH₄) en la proporción 1:4, la valencia será 4.

En el caso de los metales, la valencia se computa a partir del número de átomos de hidrógeno que el metal sustituye en un compuesto. Así, en el cloruro de sodio (sal común, NaCl) el átomo de sodio, Na, sustituye a un átomo de hidrógeno (ya que el ácido del que deriva la sal es HCl), por lo tanto la valencia del sodio es 1. En el carbonato de calcio (caliza, CaCO₃), el átomo de calcio sustituye a dos átomos de hidrógeno, por lo tanto la valencia del calcio es 2.

Existen muchos elementos que presentan valencias de valores distintos; así el nitrógeno es trivalente en el amoníaco, pero forma óxidos con las valencias 2, 3, 4 y 5.

Teoría del enlace de valencia

Es una teoría química que explica que un átomo central de una molécula tiende a formar pares de electrones, de acuerdo con las restricciones geométricas, definidas por la regla del octeto.