Conceptos Fundamentales de Química: Temperatura, Átomo y Tabla Periódica

Fundamentos Esenciales de la Química y la Medición

I. La Temperatura y sus Escalas

TEMPERATURA: Es la magnitud referida a las nociones comunes de calor medible mediante un termómetro.

Unidades Termométricas Principales

• CENTÍGRADO (Celsius): Es la unidad termométrica ubicada $0^{\circ}$ (cero) por debajo del punto triple del agua y su intensidad calórica equivale a la de Kelvin.
• GRADO KELVIN (K): Simboliza con $K$, es la unidad de temperatura de escala sobre la base del grado centígrado.
• GRADO FAHRENHEIT (F): Es una escala de temperatura. La escala establece como puntos de referencia las temperaturas de congelación y ebullición del agua.

Fórmulas de Conversión de Temperatura

Es crucial conocer las relaciones entre las diferentes escalas:

Conversiones Comunes

• FAHRENHEIT A CELSIUS: $C = (F - 32) / 1.8$
• CELSIUS A FAHRENHEIT: $F = 1.8C + 32$
• KELVIN A CELSIUS: $C = K - 273.15$
• CELSIUS A KELVIN: $K = C + 273.15$

Conversiones Menos Frecuentes

• FAHRENHEIT A KELVIN: $K = (F + 459.67) / 1.8$ (Nota: La fórmula original presentaba errores de notación).
• KELVIN A FAHRENHEIT: $F = 1.8(K - 273.15) + 32$

II. La Química como Ciencia

QUÍMICA: Es la ciencia que estudia la estructura, la composición y las propiedades de la materia, así como las transformaciones que esta experimenta durante las reacciones químicas.

Campos Relacionados con la Química

La química se relaciona con diversas áreas, incluyendo:

• Astroquímica
• Electroquímica
• Fotoquímica
• Magnetoquímica
• Petroquímica
• Geoquímica
• Química Computacional
• Química Cuántica
• Química Macromolecular
• Química Nuclear
• Química Organometálica
• Química Teórica

III. Estados de la Materia y Cambios

• EBULLICIÓN: Proceso por el cual la materia pasa de un estado líquido a gaseoso.
• FUSIÓN: Proceso por el cual la materia pasa de estado líquido a sólido.

IV. Ramas Fundamentales de la Química

La química se divide en varias disciplinas especializadas:

1. Química Inorgánica

Se encarga de estudiar los compuestos, los elementos metálicos y no metálicos, incluyendo anhídridos, hidróxidos, óxidos, sales e hidrácidos.

2. Química Orgánica

Se encarga de estudiar los compuestos del carbono, como alcanos, alquenos, alquinos, alcoholes, cetonas, ácidos carboxílicos, etc.

3. Bioquímica

Es la química que se encarga de estudiar los seres vivos.

4. Fisicoquímica

Se encarga de estudiar las leyes de la química para poder explicarlas, incluyendo los mecanismos y la velocidad de reacción.

5. Química Analítica

Comprende los métodos de reconocimiento y determinación de los constituyentes de los compuestos, tanto cualitativos como cuantitativos.

V. El Átomo: Estructura y Modelos

Estructura Atómica Básica

El átomo está formado por un núcleo y una corteza:

• Núcleo: Formado por protones ($+$) y neutrones (neutro).
• Corteza: Formada por electrones (carga electrónica $-$).

Evolución de los Modelos Atómicos

Diversos científicos aportaron a la comprensión del átomo:

1. JOHN DALTON: Propuso que los átomos son diferentes debido a su masa y propiedades, y que todos los átomos de un elemento poseen propiedades químicas idénticas.
2. THOMSON: Propuso que el átomo debía ser una esfera de materia cargada positivamente en donde se hallan incrustados los electrones.
3. RUTHERFORD: Postuló que el átomo no es una esfera maciza, sino que la mayor parte se encuentra vacía, compuesta por un núcleo pequeño y una corteza donde se encuentran los electrones.
4. NIELS BOHR: Estableció que el átomo está compuesto por un núcleo que contiene protones y neutrones, y una corteza que contiene electrones que se hallan divididos en niveles energéticos.

Definición de Átomo: Es la unidad de partículas más pequeñas que puede existir como sustancia simple y que puede intervenir en una combinación química. Su término en griego significa "no divisible", propuesta por Demócrito y Leucipo (todo está constituido por átomos).

VI. Propiedades Cuantitativas del Átomo

Conceptos Nucleares

• NÚMERO ATÓMICO ($Z$): Cantidad de protones que contiene el núcleo.
• NÚMERO DE NEUTRONES ($N$): $N$ = Número Másico - Número Atómico.
• NÚMERO MÁSICO ($A$): La suma de protones y neutrones en el núcleo.

Números Cuánticos

Son valores numéricos que nos indican las características de los electrones de los átomos:

1. Número Cuántico Principal ($N$)

• A mayor valor de $N$, mayor es la distancia promedio de los electrones respecto al núcleo.
• El primer nivel ($N=1$) es el de menor energía; los siguientes tienen energías mayores.
• Representa el máximo nivel energético posible: $(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7)$.

2. Número Cuántico Secundario ($L$)

• Toma valores enteros desde $0$ hasta $N-1$.
• Define la forma del orbital que termina el electrón. También es denominado número cuántico azimutal o del momento angular.
• Correspondencia: $S: 0$, $P: 1$, $D: 2$, $F: 3$.

3. Número Cuántico Magnético ($M_L$)

• Sus valores dependen del valor de $L$, de manera que puede tomar todos los valores comprendidos entre $-L$ y $+L$, incluido $0$.
• Representa la orientación espacial del orbital. Se visualiza con rayas: $S$ (1 raya), $P$ (3 rayas), $D$ (5 rayas), $F$ (7 rayas).
• Se ubica el $0$ en la mitad de la raya, las posiciones a la derecha son positivas y a la izquierda negativas. Los electrones se ubican primero hacia arriba y luego hacia abajo.

4. Número Cuántico Spin ($M_S$)

• Indica el sentido de giro del electrón.
• Si la flecha del último electrón queda hacia arriba es $+1/2$ y hacia abajo es $-1/2$.

Configuración Electrónica

Es la distribución de los electrones de un átomo en orbitales. Se rige por:

• Regla de construcción (Aufbau).
• Principio de Exclusión de Pauli.
• Regla de Máxima Multiplicidad de Hund.

VII. Propiedades Periódicas y Elementos Especiales

Radio Atómico y Iónico

• RADIO ATÓMICO: El tamaño del átomo es difícil de definir por dos razones: es un sistema dinámico de partículas muy influido por los átomos que lo rodean, y los orbitales que componen la corteza electrónica no tienen dimensiones definidas.
• RADIO IÓNICO: Esta propiedad es importante cuando se estudian compuestos iónicos. Se refiere al tamaño relativo de los radios iónicos correspondientes a los elementos representativos.

Clasificación de Elementos en la Tabla Periódica

Elementos de Transición Interna o Tierras Raras (Bloque F)

• Están ubicados en la parte inferior de la tabla periódica.
• Se encuentran comúnmente en forma de óxido.
• Son un total de 15 elementos, desde el número atómico 57 (Lantano) hasta el 71 (Lutecio).
• La mayoría tiene un número de oxidación de $+3$.

Actínidos (Transuránicos)

• Se ubican en el periodo 7 de la tabla periódica.
• Aparecían 13 elementos del 84 al 103 y comparten la estructura del actinio.
• La mayoría de los actínidos tienen valencia de $+3$ y $+4$, y su radio disminuye conforme aumenta su número atómico.

Elementos de Transición (Bloque D)

• Corresponden a los grupos o familias B.
• Se caracterizan por tener orbitales $d$ llenos o semillenos. A medida que aumenta el número atómico, los electrones van a un nivel interior en lugar de ir al nivel externo.
• Se ubican en el centro de la tabla periódica.
• Por lo general, son metales con altos puntos de fusión, presentan varios números de oxidación y frecuentemente forman compuestos coloreados.
• Ejemplo: El Oro ($\text{Au}$) se caracteriza por ser estable sin necesidad de reaccionar con otro elemento. Los elementos de transición incluyen metales importantes como el Hierro ($\text{Fe}$), Cobre ($\text{Cu}$) y Plata ($\text{Ag}$). El Hierro y el Titanio ($\text{Ti}$) son los elementos de transición más abundantes.

Otros Grupos

• NO METALES: (Se mencionan sus propiedades físicas, pero el texto queda incompleto).
• GRUPOS DE TABLA PERIÓDICA: Se clasifican en metales, no metales y valencia variable.

VIII. Calor y Energía

CALOR: Aumento de temperatura y transformaciones de otras energías.

Escalas de Temperatura Mencionadas

• Kelvin
• Fahrenheit
• Centígrados