Conceptos Fundamentales de Química: Enlaces, Modelos y Reacciones

1. Diferenciación de Conceptos Clave en Química

Concentración y Solubilidad

• Solubilidad: Se refiere a la máxima cantidad de un soluto que puede disolverse en una determinada cantidad de solvente a una temperatura dada, formando una disolución saturada.
• Concentración: Es la relación entre la cantidad de soluto disuelto y la cantidad total de disolución o de disolvente. Indica la proporción de soluto presente en una disolución.

Enlace Iónico y Enlace Covalente

Enlace Covalente

• Se produce por el compartir de electrones entre átomos.
• No hay formación de iones; los átomos mantienen su neutralidad eléctrica.
• Se forma típicamente entre no metales.
• Los átomos pueden compartir más de un par de electrones (enlaces simples, dobles o triples).

Enlace Iónico

• Se forma entre átomos de un metal y un no metal.
• Implica la transferencia de electrones (se ceden y se aceptan, no se comparten), resultando en la formación de iones (cationes y aniones).
• Los iones resultantes se atraen electrostáticamente, formando estructuras cristalinas.

Grupo y Periodo en la Tabla Periódica

En la tabla periódica, los periodos son las filas horizontales. Los elementos en un mismo periodo se colocan según su configuración electrónica, indicando el número de capas electrónicas. Por el contrario, los grupos son las columnas verticales. Los elementos dentro de un mismo grupo comparten propiedades químicas similares debido a que poseen la misma valencia atómica o número de electrones en su capa más externa.

Cambio Físico y Cambio Químico

• Un cambio físico es una transformación en la que no varía la naturaleza de la materia. La sustancia mantiene su identidad química, aunque pueda cambiar su estado de agregación o forma (ej. derretir hielo, cortar papel).
• Un cambio químico es una transformación en la que sí varía la naturaleza de la materia. Se forman nuevas sustancias con propiedades químicas diferentes a las originales (ej. quemar madera, oxidación de un metal).

2. El Modelo Atómico de Bohr: Estructura y Niveles de Energía

El modelo atómico de Bohr, propuesto por Niels Bohr en 1913, establece que los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares bien definidas, cada una con un nivel de energía específico. Según este modelo, los electrones pueden saltar entre estos niveles de energía: si ganan energía, ascienden a un nivel superior; si pierden energía, descienden a un nivel inferior, emitiendo o absorbiendo energía en forma de fotones.

Características Clave del Modelo de Bohr

• Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas estables y cuantizadas, sin emitir energía.
• Los electrones pueden adquirir energía (por calor o electricidad) y excitarse, pasando de una órbita interior (menor energía) a otra exterior (mayor energía).
• Para recuperar su estabilidad, los electrones regresan a órbitas interiores, liberando la energía adquirida en forma de luz (fotones).
• El nivel energético de los electrones está directamente relacionado con la órbita en la que se encuentran.

3. Configuración Electrónica y Tipos de Enlace

A continuación, se presenta la configuración electrónica de los elementos solicitados y se explica el tipo de enlace que formarían entre sí.

Configuraciones Electrónicas

• Na (Sodio, Z=11): 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
• Cl (Cloro, Z=17): 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
• H (Hidrógeno, Z=1): 1s¹
• O (Oxígeno, Z=8): 1s² 2s² 2p⁴

Tipo de Enlace Formado

Enlace entre Na y Cl (Cloruro de Sodio, NaCl)

El sodio (Na) es un metal alcalino con un electrón de valencia (3s¹), lo que le confiere una fuerte tendencia a perderlo para alcanzar la configuración de gas noble. El cloro (Cl) es un no metal halógeno con siete electrones de valencia (3s² 3p⁵), lo que le da una fuerte tendencia a ganar un electrón. Por lo tanto, el sodio cede su electrón al cloro, formando el catión Na⁺ y el anión Cl^-. La atracción electrostática entre estos iones da lugar a un enlace iónico.

Enlace entre H y O (Agua, H₂O)

El hidrógeno (H) es un no metal con un electrón de valencia (1s¹), y el oxígeno (O) es un no metal con seis electrones de valencia (2s² 2p⁴). Ambos átomos tienen una tendencia a compartir electrones para completar sus capas de valencia (el hidrógeno busca dos electrones y el oxígeno busca ocho). En la molécula de agua (H₂O), un átomo de oxígeno comparte electrones con dos átomos de hidrógeno, formando dos enlaces covalentes.

4. Nomenclatura y Formulación de Compuestos Químicos

A continuación, se presentan los compuestos con su nombre o fórmula correspondiente:

5. Problema de Estequiometría: Reacción de Aluminio con Ácido Sulfúrico

Se tratan 6 g de aluminio en polvo con 50 mL de disolución 0,6 M de H₂SO₄ y se obtiene Al₂(SO₄)₃ y H₂. Calcular:

1. La ecuación ajustada de la reacción.
2. El reactivo que se encuentra en exceso.
3. El volumen de hidrógeno que se obtendrá en la reacción, medido en condiciones normales.
4. La cantidad de gramos de Al₂(SO₄)₃ que se obtendrán por evaporación de la disolución restante de la reacción.

Masas Atómicas

• Al = 27 g/mol
• S = 32 g/mol
• O = 16 g/mol
• H = 1 g/mol

Resolución

A. Ecuación Ajustada de la Reacción

2 Al (s) + 3 H2SO4 (aq) → Al2(SO4)3 (aq) + 3 H2 (g)

B. Determinación del Reactivo en Exceso

Para determinar el reactivo en exceso, primero calculamos los moles de cada reactivo:

• Moles de Al: 6 g Al * (1 mol Al / 27 g Al) = 0,222 mol Al
• Moles de H₂SO₄: 0,050 L * 0,6 mol/L = 0,03 mol H2SO4

Ahora, comparamos la proporción estequiométrica:

Según la ecuación, se necesitan 3 moles de H₂SO₄ por cada 2 moles de Al.

Si reaccionan 0,03 mol de H₂SO₄, se necesitarían:

0,03 mol H2SO4 * (2 mol Al / 3 mol H2SO4) = 0,02 mol Al

Como tenemos 0,222 mol de Al y solo se necesitan 0,02 mol de Al, el Aluminio (Al) se encuentra en exceso. El reactivo limitante es el H₂SO₄.

La cantidad de Al que reacciona con 0,03 mol de H₂SO₄ es: 0,03 mol H2SO4 * (2 mol Al / 3 mol H2SO4) * (27 g Al / 1 mol Al) = 0,54 g Al. Dado que se tienen 6 g de Al, el Al está en exceso.

C. Volumen de Hidrógeno Obtenido (en CNPT)

Utilizando el reactivo limitante (H₂SO₄) y la estequiometría:

0,03 mol H2SO4 * (3 mol H2 / 3 mol H2SO4) * (22,4 L H2 / 1 mol H2) = 0,672 L H2

D. Cantidad de Al₂(SO₄)₃ Obtenida

Utilizando el reactivo limitante (H₂SO₄) y la estequiometría:

Primero, calculamos la masa molar de Al₂(SO₄)₃:

Al: 2 * 27 = 54

S: 3 * 32 = 96

O: 12 * 16 = 192

Masa molar = 54 + 96 + 192 = 342 g/mol

0,03 mol H2SO4 * (1 mol Al2(SO4)3 / 3 mol H2SO4) * (342 g Al2(SO4)3 / 1 mol Al2(SO4)3) = 3,42 g Al2(SO4)3