U6-CONCEPTOS BÁSICOS DE FORMULACIÓN INORGÁNICA PDF

OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia UNIDAD 6: CONCEPTOS BÁSICOS QUÍMICA INORGÁNICA. Laura Ros Alcobas Operaciones básicas de laboratorio C. F. G. M. Farmacia y Parafarmacia 1 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ÍNDICE: 1. Teoría atómica....

OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia UNIDAD 6: CONCEPTOS BÁSICOS QUÍMICA INORGÁNICA. Laura Ros Alcobas Operaciones básicas de laboratorio C. F. G. M. Farmacia y Parafarmacia 1 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ÍNDICE: 1. Teoría atómica. 2. Estructura del átomo. 3. El enlace químico: tipos. 4. La tabla periódica. 2 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 1. TEORÍA ATÓMICA: En el siglo v, a. C., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que significa indestructible o indivisible). A pesar de que la idea de Demócrito no fue aceptada por muchos de sus contemporáneos (entre ellos Platón y Aristóteles), ésta se mantuvo. Las evidencias experimentales de algunas investigaciones científicas apoyaron el concepto del “atomismo”, lo que condujo, de manera gradual, a las definiciones modernas de elementos y compuestos. En 1808, el científico inglés, profesor John Dalton, formuló una definición precisa de las unidades indivisibles con las que está formada la materia y que llamamos átomos. El trabajo de Dalton marcó el principio de la era de la química moderna. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia, en las que se basa la teoría atómica de Dalton, pueden resumirse como sigue: 1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. 2. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos. 3. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla. 4. Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca supone la creación o destrucción de estos. Esta hipótesis es una forma de enunciar la ley de la conservación de la masa, la cual establece que la materia no se crea ni se destruye. 3 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO: En la estructura del átomo podemos distinguir dos partes: el núcleo y la corteza. El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón. Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z. La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón. Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones. La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico. Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento. Los isótopos de cobalto y yodo se usan mucho en medicina para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer de tiroides, de huesos, etc. El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. 4 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia El número de masa (A) es el número total de neutrones y protones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. En general, el número de masa está dado por: Número de masa= número de protones + número de neutrones = número atómico (Z) + número de masa 3. EL ENLACE QUÍMICO: TIPOS Al estudiar la materia se observa que esta se encuentra formada por agrupaciones de átomos denominados, moléculas. Estas uniones o combinaciones de átomos, que permite rebajar su energía y formar compuestos más estables, se denomina enlace químico. En el enlace químico se producen reorganizaciones electrónicas entre los electrones de la última capa de los átomos implicados en el enlace. Existen tres enlaces tipo, el enlace iónico, el enlace covalente y el enlace metálico. Además de los enlaces principales entre los átomos también se dan enlaces intermoleculares; de menor energía que los enlaces intramoleculares y cuyos máximos exponentes son el enlace de hidrogeno y las fuerzas de Van der Waals. 3.1 ENLACE IÓNICO: Si enfrentamos un átomo al que le falten pocos electrones en su capa de valencia para adquirir la configuración de gas noble (muy electronegativo, tendencia a coger electrones), con otro cuya electronegatividad sea baja (tendencia a ceder electrones), este cederá un electrón. Como consecuencia, el uno se convertirá en un ión negativo (anión) mientras que el otro se convierte en un ión positivo (catión). Ambos se unen debido a la atracción entre cargas de distinto signo (atracción electrostática). En realidad, este proceso se realiza simultáneamente en un número enorme de átomos con el resultado de que se formarán gran número de iones positivos y negativos que se atraen mutuamente formando una estructura de iones dispuestos en forma muy ordenada. Es lo que se conoce con el nombre de red iónica o cristal. 5 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia En los compuestos iónicos no se puede hablar de moléculas individuales, sino de grandes agregados. Por tanto, en los compuestos iónicos la fórmula no podemos decir que represente una molécula. Solamente indica la proporción en la que los iones se combinan. Ejemplos: NaCl. La relación de iones de Na+ e iones Cl – es 1:1 (hay el mismo número de ambos) CaCl2. Hay doble número de iones Cl – que de iones Ca2+ Los compuestos iónicos tienen las siguientes propiedades: o Son sólidos cristalinos como revela su estructura muy ordenada y compacta. o Poseen puntos de fusión y ebullición elevados, ya que el enlace iónico es de una gran fortaleza y para que el compuesto se convierta en líquido o en gas es necesario romper esos enlaces, para lo cual hay que suministrar una cantidad considerable de energía. o Son duros, ya que para rayar un sólido es necesario romper cierto número de enlaces y el enlace es muy fuerte. o Si son solubles en agua, al disolverse, se rompen en iones positivos y negativos (las sustancias que al romperse dan iones reciben el nombre de electrolitos). o En estado sólido no conducen la electricidad ya que los iones están fuertemente unidos y no hay cargas libres que puedan circular. o Fundidos o en disolución acuosa son buenos conductores de la corriente eléctrica debido a la existencia de iones (átomos con carga) que se dirigen a los electrodos de polaridad contraria. 6 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 3.2 ENLACE COVALENTE: Si los átomos que se enfrentan son ambos electronegativos (no metales), ninguno de los dos cederá electrones. Una manera de adquirir la configuración de gas noble en su última capa es permanecer juntos con el fin de compartir electrones. El proceso fundamental en este tipo de enlace es la compartición de electrones. Los átomos permanecen juntos con el fin de poder compartir los electrones, adquiriendo ambos de esta forma la configuración de gas noble en la capa más externa. Es un enlace característico entre átomos de electronegatividad alta (no metales). Cuando los átomos se unen mediante este tipo de enlace se forman unas nuevas entidades integradas por los átomos unidos: las moléculas. Las moléculas son las unidades básicas de los compuestos covalentes. Las moléculas se representan de manera abreviada mediante las fórmulas químicas. Para escribir la fórmula química correspondiente a un compuesto se citan los átomos que lo forman mediante su símbolo afectado de un subíndice que indica el número de átomos que forman la molécula. 7 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia Para representar las moléculas resultantes de la unión mediante enlace covalente se utilizan a menudo los diagramas de Lewis. Enellos se representan por puntos o cruces los electrones de la capade valencia del átomo y los electrones compartidos se sitúan entrelos dos átomos. De esta manera es fácil visualizar los electrones compartidos y cómo ambos átomos quedan con ocho electrones (estructura de gas noble), lo que se conoce como regla del octeto. Para simplificar la escritura los electrones de enlace se representan por una raya que une ambos átomos. Los pares no enlazantes se representan por rayas situadas sobre el símbolo del elemento: Como se puede observar, y dependiendo del número de electrones necesario para adquirir la deseada estabilidad, los átomos se van a combinar en una u otra proporción: Ejemplos: 8 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia Teóricamente en un enlace covalente los pares de electrones deberían compartirse por igual (digamos a un 50%). Sin embargo, esto solo es cierto cuando los elementos que se enlazan son exactamente iguales o de electronegatividad muy parecida. En caso contrario, el elemento más electronegativo “tira” más del par de enlace “quedándose con más electrones”. De esta manera éste átomo “capta electrones” adquiriendo cierta carga negativa (aunque no llega a ser de una unidad lo que se correspondería con un enlace iónico), y el menos electronegativo queda con cierta carga positiva. En los extremos del enlace aparecen cargas eléctricas de signo opuesto. Es lo que se llama un dipolo. Se dice que el enlace está polarizado. Los compuestos con enlace covalente tienen las propiedades siguientes: o Están formados por moléculas, las cuales pueden existir individualmente como unidades aisladas. o Suelen ser gases o líquidos. Si son sólidos presentarán puntos de fusión relativamente bajos ya que entre las moléculas existen unas fuerzas de atracción bastante débiles. o Tienen puntos de fusión y ebullición bajos. o Suelen ser poco solubles en agua. o Son malos conductores de la corriente eléctrica, incluso disueltos o fundidos (no hay cargas libres). 3.3 ENLACE METÁLICO: El enlace metálico es el que mantiene unidos los átomos de los metales. Mediante la estructura del enlace metálico podemos explicarnos las propiedades más características de los metales, tales como su facilidad para conducir la electricidad y el calor (conductividad), la capacidad para extenderse en hilos muy finos (ductilidad), la capacidad para obtener láminas finas (maleabilidad), densidades elevadas, puntos de fusión altos... etc. El modelo más sencillo de enlace metálico se basa en una de las propiedades características de los metales: su baja electronegatividad (ceden electrones con facilidad). Así pues, el enlace metálico podemos describirlo como una disposición muy ordenada y compacta de iones positivos del metal (red metálica) entre los cuales se distribuyen los electrones perdidos por cada átomo a modo de “nube electrónica”. Es importante observar que los electrones pueden 9 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia circular libremente entre los cationes, no están ligados (sujetos) a los núcleos y son compartidos por todos ellos (se dice que los electrones están deslocalizados). Esta nube electrónica hace de “colchón” entre las cargas positivas impidiendo que se repelan a la vez que mantienen unidos los átomos del metal. Los electrones que la forman no están unidos a los núcleos, se deslocalizan entre los cationes evitando su repulsión. En los metales tampoco se forman moléculas individuales. La situación es muy parecida a la encontrada en el caso de los compuestos iónicos. Propiedades de los metales: Son sólidos a temperatura ambiente (a excepción del mercurio) de densidad elevada. Observar que la red metálica es una estructura muy ordenada (típica de los sólidos) y compacta (con los iones muy bien empaquetados, muy juntos, densidad alta) Temperaturas de fusión y ebullición altas, síntoma de que el enlace entre los átomos es fuerte. Buenos conductores del calor y la electricidad, debido a la existencia de electrones libres que pueden moverse. Ductilidad y maleabilidad, debido a la posibilidad de que las capas de iones se pueden deslizar unas sobre otras sin que se rompa la red metálica. El característico brillo metálico es también una consecuencia de la existencia de electrones libres que pueden absorber y emitir luz de diversas frecuencias. 3.4 ENLACES INTERMOLECULARES: En el mundo material, además de los enlaces entre átomos existen otras interacciones, más débiles, pero lo suficientemente intensas para que sus efectos sean notorios. Son las llamadas interacciones moleculares (ya que a menudo se dan entre moléculas) incluye interacciones entre átomos neutros, cadenas de átomos o macromoléculas). Las interacciones moleculares se suelen dividir tradicionalmente en dos grupos: Fuerzas de van der Waals. Enlaces de hidrógeno. 10 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia ▪ FUERZAS DE VAN DER WAALS: La fuerzas de van der Waals son fuerzas de tipo electrostático (entre cargas de signo distinto). No es difícil de entender que existirán interacciones de este tipo entre las moléculas polares (HCl, por ejemplo). Son las llamadas interacciones dipolo-dipolo (fuerzas de Keeson). Sin embargo, existen fuerzas de Van der Waals, incluso cuando las moléculas no son polares. En estos casos las interacciones son debidas a efectos inductivos o cuánticos. Las fuerzas de van der Waals son de corto alcance (disminuyen rápidamente al aumentar la distancia) y son importantes cuando los átomos son grandes, debido a que son más fácilmente polarizables. El enlace covalente es 5000 veces más estable que una interacción de van der Waals. ▪ ENLACE DE HIDRÓGENO: Aunque el llamado “enlace de hidrógeno” no llega a la categoría de enlace (es veinte veces más débil que un enlace covalente) y se estudia como un tipo de interacción entre las moléculas, es de gran importancia ya que juega un papel muy importante en química y biología. El enlace de hidrógeno es una interacción entre moléculas debida a la polaridad de los enlaces covalentes y se da entre el átomo de hidrógeno, cargado positivamente, y un átomo electronegativo pequeño como el oxígeno, nitrógeno o flúor. El oxígeno (esfera roja) tiene cierta carga parcial negativa, mientras que el hidrógeno (esfera blanca) tiene carga parcial positiva, produciéndose una atracción electrostática entre ambas. El átomo de hidrógeno hace de “puente” entre ambas moléculas. Los enlaces de hidrógeno 11 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia son los responsables de que el agua tenga un punto de ebullición anormalmente alto, ya que para que el agua líquida pase a gas es necesario romper multitud de enlaces de hidrógeno, lo que implica suministrar una energía suplementaria considerable para que la energía cinética de las moléculas sea capaz de vencer la interacción entre ellas. 4. TABLA PERIÓDICA: Más de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los químicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos. El reconocimiento de las regularidades periódicas en las propiedades físicas y en el comportamiento químico, así como la necesidad de organizar la gran cantidad de información disponible sobre la estructura y propiedades de las sustancias elementales, condujeron al desarrollo de la tabla periódica, una tabla en la que se encuentran agrupados los elementos que tienen propiedades químicas y físicas semejantes. La tabla periódica actual se puede dividir en 7 periodos y 18 grupos. 12 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 13