Conceptos Fundamentales de Química: Átomos, Enlaces y Reacciones

Estructura Atómica

• Número Atómico (Z): Representa la carga nuclear, es decir, el número de protones en el núcleo.
• Número Másico (A): Es la suma del número de protones y neutrones en el núcleo.
• Isótopos: Son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.
• Masa Atómica: Es una cantidad física adimensional definida como el promedio de las masas de los isótopos de un elemento.

Modelo Cuántico

• Hipótesis de Planck: Los cuerpos emiten o absorben energía en forma de cuantos o paquetes de energía.
• Teoría de Broglie: Los electrones llevan asociada una onda de radiación electromagnética, caracterizada por una determinada longitud de onda.

Consecuencias del Modelo Cuántico

1. El movimiento del electrón no puede confinarse a órbitas sencillas, sino a orbitales.
2. Solo son posibles ciertos orbitales y ciertas energías: el electrón no puede adquirir cualquier valor de energía, solo determinadas cantidades que definen su localización en uno de los posibles orbitales. Cuando un electrón pasa de un orbital superior a otro inferior, emite energía en forma de radiación electromagnética; al revés, absorbe energía.

Números Cuánticos

Los números cuánticos localizan los electrones y describen su forma en el espacio:

• Número Cuántico Principal (n): Indica la energía del orbital.
• Número Cuántico Secundario (l): Define la forma del orbital.
• Número Cuántico Magnético (m): Define la orientación del orbital.
• Número Cuántico de Espín (s): Señala el sentido de rotación del electrón.

Principio de Exclusión de Pauli

Cada orbital puede albergar un máximo de dos electrones. No pueden existir en un mismo átomo dos electrones con los cuatro números cuánticos coincidentes. Cuando el átomo absorbe energía, sus electrones pasan a niveles energéticos superiores y adquiere un estado excitado. Los orbitales vacíos pueden ser ocupados por electrones.

La capa más externa de electrones es la capa de valencia. Los elementos prefieren tener ocho electrones en su capa de valencia. Un átomo es estable cuando su última capa está completa.

Tabla Periódica

La tabla periódica de los elementos clasifica y distribuye los distintos tipos de átomos conforme a sus propiedades y características. Un grupo es el conjunto de elementos de una columna que tienen la misma estructura electrónica en su último nivel.

Electronegatividad

La electronegatividad es la tendencia de un átomo de atraer hacia sí el par de electrones de su enlace con otro átomo.

• Electronegatividad baja (metales): Ceden electrones con facilidad y originan iones positivos (cationes). Forman compuestos con H y O: hidróxidos.
• Electronegatividad alta (no metales): Captan electrones con facilidad y originan iones negativos (aniones). Forman ácidos.
• Electronegatividad intermedia (metaloides): Tienen propiedades intermedias entre metales y no metales.

Ion: Átomo que tiene carga positiva o negativa, es decir, le faltan o le sobran electrones.

Enlace Químico

El enlace químico es el proceso de las interacciones atractivas entre átomos y moléculas que confiere estabilidad a los compuestos químicos. Está asociado con la compartición y transferencia de electrones entre átomos. La capacidad de un átomo para combinarse con otros se denomina valencia, que es el número de electrones que capta, pierde o comparte para lograr una estructura estable.

Tipos de Enlaces

1. Enlace Iónico: Transferencia de electrones entre átomos. Se debe a la unión entre metales y no metales.
2. Enlace Metálico: Liberación de electrones. Los átomos metálicos liberan electrones de valencia que pueden moverse por toda la red metálica. Se debe a la unión de átomos del mismo metal.
3. Enlace Covalente: Compartición de electrones. Puede ser simple, doble o triple. Se da entre no metales.

• Covalente Apolar: Compartición equitativa de electrones.
• Covalente Polar: Compartición no equitativa de electrones. Se forma entre átomos con diferencia de electronegatividad.

Polaridad Química: Propiedad de las moléculas que representa la separación de las cargas eléctricas en la misma.

Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas que mantienen unidas unas moléculas con otras.

Tipos de Fuerzas Intermoleculares

1. Puente de Hidrógeno: Un átomo de hidrógeno es enlazado a un átomo fuertemente electronegativo (N, O, F). Se produce una atracción entre las cargas positivas y negativas.
2. Fuerzas de Van der Waals: Interacciones entre moléculas con enlaces covalentes apolares debido a fenómenos de polarización temporal. Son fuerzas muy débiles que se incrementan con el tamaño de las moléculas.

Polarización Temporal: Distribución electrónica transitoria en la que hay mayor densidad de electrones en una región que en otra, y aparece un dipolo momentáneo.

Dipolo: Sistema constituido por dos cargas iguales y de signo contrario separadas por una distancia d. Cuando dos de estas moléculas se acercan, las fuerzas intermoleculares atractivas pueden ser lo bastante intensas como para crear uniones intermoleculares transitorias.

Reacciones Químicas

Las reacciones químicas son procesos químicos en los que dos o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman en otras sustancias llamadas productos. Los enlaces entre los átomos que forman los reactivos se rompen, los átomos se reorganizan formando nuevos enlaces y dando lugar a sustancias diferentes a las iniciales. A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones químicas.

Tipos de Reacciones

• Reacciones de Síntesis: A + B → AB
• Reacciones de Descomposición: AB → A + B
• Reacciones de Desplazamiento: A + BC → AC + B
• Reacción Exotérmica: Desprenden energía en forma de calor. El resultado es un cambio de energía positivo.
• Reacción Endotérmica: Precisan aportación de calor o energía. El resultado del intercambio es negativo.

Tipos de Moléculas

• Moléculas Discretas: Constituidas por un número bien definido de átomos, sean del mismo elemento o distintos.
• Macromoléculas o Polímeros: Constituidas por la repetición de una unidad simple y que pueden alcanzar pesos moleculares altos. Ejemplo: acetato de polivinilo.