Fórmulas Esenciales de Química: Concentración, Gases, Enlaces y Propiedades Periódicas

Conceptos Fundamentales de Disoluciones

En una disolución, los componentes se definen por su proporción:

• Disolvente: Componente presente en mayor proporción.
• Soluto: Componente presente en menor proporción.

Cálculo de la Concentración

Las siguientes expresiones permiten cuantificar la concentración de un soluto en una disolución:

a) Porcentaje en masa (% m/m)

$$\frac{\text{Masa de soluto}}{\text{Masa de disolución}} \cdot 100\%$$

b) Porcentaje en volumen (% v/v)

$$\frac{\text{Volumen de soluto}}{\text{Volumen de disolución}} \cdot 100$$

c) Porcentaje masa/volumen (% m/v)

$$\frac{\text{Gramos de soluto}}{\text{Litros de disolución}} \cdot 100\%$$

d) Concentración en g/L

$$\frac{\text{Gramos de soluto}}{\text{Litros de disolución}}$$

e) Molaridad (M) ⭐ MUY IMPORTANTE

La Molaridad se define como los moles de soluto por litro de disolución.

$$\frac{\text{Moles de soluto}}{\text{Litros de disolución}}$$

f) Molalidad (m)

La Molalidad se define como los moles de soluto por kilogramo de disolvente.

$$\frac{\text{Moles de soluto}}{\text{Kilogramos de disolvente}}$$

👉 OJO: Esta fórmula utiliza la masa del disolvente, no el volumen.

g) Fracción molar (X)

La Fracción Molar de un componente ($n_i$) es la relación entre sus moles y los moles totales ($n_{\text{total}}$).

$$X_i = \frac{n_i}{n_{\text{total}}}$$

Cálculo de Moles y Masa Molar

El número de moles ($n$) se calcula a partir de la masa ($m$) y la masa molar ($M_m$):

$$n = \frac{m}{M_m}$$

La Masa Molar ($M_m$) se expresa en unidades de masa por mol (g/mol):

$$M_m = \frac{m}{n}$$

Leyes Fundamentales de los Gases

Ley de Boyle-Mariotte (Proceso Isotérmico)

A temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

$$P_1 \cdot V_1 = P_2 \cdot V_2$$

Ley de Gay-Lussac (Proceso Isobárico)

A presión constante, el volumen y la temperatura absoluta son directamente proporcionales.

$$\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}$$

Propiedades Periódicas

3. Energía de Ionización (EI)

La Energía de Ionización es la energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo gaseoso en su estado fundamental, formando un catión.

$$X_{(g)} \rightarrow X^+_{(g)} + e^-$$

Tendencia en la Tabla Periódica:

• ⬆️ Aumenta hacia arriba y a la derecha.
• ⬇️ Disminuye hacia abajo y a la izquierda.

4. Afinidad Electrónica (AE)

Definición: Energía liberada cuando un átomo gaseoso gana un electrón, formando un anión.

$$X_{(g)} + e^- \rightarrow X^-_{(g)}$$

5. Electronegatividad (EN) ⭐

Definición: Capacidad de un átomo para atraer los electrones compartidos en un enlace químico.

Tendencia:

• ⬆️ Aumenta hacia arriba y a la derecha.
• ⬇️ Disminuye hacia abajo y a la izquierda.

Efecto Pantalla y Carga Nuclear Efectiva

El apantallamiento o efecto pantalla es la disminución de la atracción del núcleo sobre los electrones de valencia debido a la presencia de electrones en capas internas, que bloquean parcialmente la carga positiva del núcleo. Como consecuencia, los electrones externos sienten una carga nuclear efectiva menor. El apantallamiento aumenta al bajar en un grupo y explica el aumento del radio atómico y la disminución de la energía de ionización y la electronegatividad.

La energía de ionización es la energía mínima necesaria para arrancar un electrón a un átomo neutro en estado gaseoso, formando un catión. Depende de la atracción entre el núcleo y los electrones de valencia. Aumenta hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica, y disminuye al bajar en un grupo debido al aumento del radio atómico y del apantallamiento.

Tipos de Enlace Químico

El enlace químico es la fuerza que une a los átomos para formar moléculas o redes estables, disminuyendo la energía del sistema. Los principales tipos de enlace son iónico, covalente y metálico, que se diferencian por la manera en que los electrones se distribuyen entre los átomos.

Enlace Iónico

Ocurre entre un metal y un no metal mediante la transferencia de electrones, formando cationes y aniones que se mantienen unidos por fuerzas electrostáticas. Sus compuestos son sólidos cristalinos, con altos puntos de fusión y conductividad en disolución o fundidos.

Enlace Covalente

Se da entre no metales mediante la compartición de electrones. Puede ser apolar (electronegatividades similares) o polar (electronegatividades diferentes), e incluso coordinado, cuando un átomo aporta ambos electrones compartidos. Las sustancias covalentes suelen tener bajos puntos de fusión y no conducen electricidad.

Enlace Metálico

Aparece entre átomos metálicos, con cationes inmersos en un “mar de electrones” deslocalizados, lo que explica la conductividad eléctrica, la ductilidad, la maleabilidad y el brillo metálico.

Principios de Fotoquímica

Fórmulas relacionadas con la energía de los fotones y el Efecto Fotoeléctrico:

• Energía del fotón: $$E = hf$$
• Condición de Emisión: Si $$hf \geq W$$ (donde $W$ es la función trabajo).
• Energía cinética del exceso: $$E_c = hf - W$$
• Frecuencia mínima (umbral): $$f_0 = \frac{W}{h}$$
• Longitud de onda máxima (umbral): $$\lambda_0 = \frac{hc}{W}$$

4. Calorimetría y Transferencia de Calor

El calor cedido o absorbido ($q$) por una reacción o cuerpo se puede medir mediante un calorímetro:

$$q = m \cdot c \cdot \Delta T$$

Donde:

• $m$: Masa del cuerpo.
• $c$: Capacidad calorífica específica (o calor específico).
• $\Delta T$: Variación de temperatura.