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.
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.
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.
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+.
Arrehnius se encargó de darle difiniciones a los ácidos, las bases y las sales.
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.
Steve August Arrehnius (1859-1927) fue un reconocido científico sueco.
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.
Razonando 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, ésta, al ganarlo, se transforma en un ácido. Así, pues, un ácido y su base correspondiente forman un sistema conjugado.
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 –
Es importante saber que se considera un ácido a toda sustancia que puede ceder protones, y base a toda sustancia que puede ganar protones.
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.
Thomas Martin Lowry (1874-1936)Johannes Nicolaus Bronsted (1879-1947)
La principal dificultad de las definiciones de ácido y base de Brönsted y Lowry es que sólo 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 Lewis propuso corregir los errores de la teoría de Bronsted y Lowry.
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+, comportándose, 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 Newton Lewis (1875-1946) fue un reconocido fisicoquímico estadounidense.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
La materia se transforma constantemente a nuestro alrededor sin que exista una pérdida en la masa. Es por ello que al estudiar las reacciones químicas es necesario balancear o igualar la cantidad de átomos de los reactantes y productos involucrados en la misma.
El balanceo por método algebraico consiste en asignar literales o letras a las especies químicas involucradas en una determinada reacción a fin de obtener un sistema de ecuaciones, cuya resolución permite hallar los valores de los coeficientes estequiométricos.
PARTES DE UNA REACCIÓN
¿Por qué se deben balancear las reacciones químicas?
Las reacciones químicas se deben balancear para cumplir con la ley de la conservación de la masa, cuyo postulado indica que durante un cambio químico la masa es constante. Esto significa que cuando ocurre una reacción química la masa de los productos obtenidos será igual a la de los reactantes.
Pasos para balancear una reacción por método algebraico
Asignar letras a cada uno de los reactantes y productos involucrados en las reacciones, además, se debe considerar la flecha como una igualdad.
Plantear una ecuación para cada elemento químico de la reacción.
Asignar un valor al elemento más repetido en las ecuaciones.
Resolver las ecuaciones.
Ejemplo: balancear por el método algebraico la siguiente ecuación.
Paso 1: asignar letras a los reactantes y productos de la reacción.
Paso 2: plantear ecuaciones para cada una de las especies químicas involucradas.
Paso 3: asignar un valor a la letra que más se repite en las ecuaciones, en este caso C.
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 planteado 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:
Escribir la formula química: NaCl
Conocer el tipo de enlace: iónico.
Realizar la configuración electrónica, considerando el efecto de las cargas en el anión y catión.
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:
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.
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.
Completar primero los octetos de los elementos unidos al átomo central.
Colocar los electrones faltantes en el átomo central aun si no cumplen con la regla del octeto.
Cuando el átomo central no cumple con el octeto es recomendable probar con enlaces múltiples.
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 gástricos, 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 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.
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