UD2 -Parte 1- Conceptos básicos de química PDF

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OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia UNIDAD 2: Conceptos generales de química. Parte 1 Laura Ros Alcobas Operaciones básicas de laboratorio C. F. G. M. Farmacia y Parafarmacia Curso:2024-2025 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. Hoy en día, el conocimiento que tenemos es que los átomos están formados, a su vez, por otras partículas más pequeñas y sus características son conocidas. Por tanto, la unidad que forma la materia es el átomo, palabra que viene del griego y significa indivisible. 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, 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. 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. Imagen 1: La mina de un lápiz se conoce como grafito, a la derecha se encuentra la estructura molecular del grafito, que está formado por átomos de carbono en una estructura laminar. Licencias Creative Commons. 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 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. Por tanto, es la parte exterior del átomo en la que se encuentran los electrones, girando en órbitas y ocupan niveles y subniveles de energía, alrededor del núcleo atómico. 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. o El número atómico (Z) es el número de protones en el núcleo del átomo de un elemento. o El número de masa (A) es el número total de neutrones y protones presentes en el núcleo de un átomo de un elemento. OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia En general, el número de masa está dado por: Número de masa= número de protones + número de neutrones A= Z + N. Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico, es decir, tienen el mismo número atómico pero distinto 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. Unidades del SI. PARTÍCULA Carga (C) Masa (kg) Protón +1,6 x 10 -19 1,673 x 10 -27 Neutrón 0 1,675 x 10 -27 Electrón -1,6 x 10 -19 9,109 x 10 -31 Tabla 1: Masa y carga de las partículas subatómicas. A partir de la Tabla 1, se puede concluir que, la masa de un protón y neutrón son parecidas, y la carga de un protón y un electrón es la misma en valor absoluto. La suma de la carga de un protón y un electrón es cero. En un átomo, cuando el número de protones y de electrones es el mismo, decimos que el átomo es eléctricamente neutro. 3. Enlace químico. Tipos: Se define molécula cómo una agrupación de un número determinado de átomos unidos entre sí. 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; OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia de menor energía que los enlaces intramoleculares y cuyos máximos exponentes son el enlace de hidrogeno y las fuerzas de Van der Waals. Las capas de electrones y el modelo de Bohr El científico danés Niels Bohr (1885-1962) desarrolló un primer modelo del átomo en 1913. El modelo de Bohr muestra el átomo como un núcleo central compuesto por protones y neutrones, con los electrones en capas circulares a distancias específicas del núcleo, de manera semejante a los planetas que orbitan alrededor del Sol. Cada capa de electrones tiene un nivel de energía diferente, las más cercanas al núcleo son de menor energía que las más lejanas. El número de electrones de la capa externa de un átomo particular determina su reactividad o tendencia a formar enlaces químicos con otros átomos. A esta capa externa se le conoce como capa de valencia y a los electrones que se encuentran dentro de ella se les llama electrones de valencia. En general, los átomos son más estables, menos reactivos, cuando su capa de electrones externa se encuentra completa. La mayoría de los elementos importantes en la biología necesitan ocho electrones en su capa externa para ser estables y esta regla se conoce como regla del octeto. Los gases nobles presentan esta estructura de ocho electrones en su capa más externa. 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. 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: Son sólidos cristalinos como revela su estructura muy ordenada y compacta. 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. Son duros, ya que para rayar un sólido es necesario romper cierto número de enlaces y el enlace es muy fuerte. 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). En estado sólido no conducen la electricidad ya que los iones están fuertemente unidos y no hay cargas libres que puedan circular. 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. 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. 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. 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. OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 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 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. OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 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. TIPOS DE ENLACE METÁLICO COVALENTE IÓNICO CARACTERÍSTICAS Los átomos se Los átomos de la Se produce entre ordenan en molécula iones: aniones estructuras comparten (ganancia de regulares electrones electrones) o semejantes a una cationes (pérdida de red cristalina de electrones). Estas gran tamaño y los moléculas son muy electrones forman estables una especie de nube alrededor de ellos. PROPIEDADES Son insolubles en La mayoría no se Se disuelven en agua. disuelve en agua. agua. Suelen tener brillo. No tienen brillo. Forman cristales. Son sólidos, Pueden ser Son sólidos a excepto el mercurio, sólidos, líquidos o temperatura que es líquido. gases. ambiente. Son dúctiles, Son moléculas con maleables y estabilidad muy alta blandos. debido a la presencia de insaturaciones. Conducen bien el No conducen la No son buenos calor y la corriente eléctrica. conductores de la electricidad. electricidad. EJEMPLOS Todos los metales: Amoniaco, Cloruro potásico, hierro, cobre, oro. diamante, oxígeno. sal común. 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 OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia 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. Dentro de la tabla periódica podemos encontrar los símbolos químicos de cada elemento químico. Los símbolos químicos permiten identificar a los elementos químicos. Pueden tener una o dos letras. Si tienen dos letras, la primera de ellas es mayúscula y la segunda minúscula. A veces la primera letra del símbolo coincide con la primera letra de su nombre y en ocasiones, los símbolos químicos no coinciden con las primeras letras del nombre del elemento químico, en algunos de estos casos, el símbolo químico se refiere al nombre del elemento en latín, o en griego. ELEMENTO QUÍMICO SÍMBOLO Ca Ca Sodio Na, del latín natrium Hierro Fe, del latín ferrum Azufre S, del latín sulphur Oro Au, del latín aurum Los elementos químicos que se conocen, naturales o artificiales, se recogen en el Sistema Periódico. El sistema Periódico tiene 7 filas o periodos, y 18 grupos o columnas. Todos los elementos del mismo grupo o familia tienen propiedades químicas parecidas. OPERACIONES BÁSICAS DE LABORATORIO C.F.G.M Farmacia y Parafarmacia