materia, estructura, composición, estados de agregación y clasificación por propiedades

7/25/2019 Materia, estructura, composicin, estados de agregacin y clasificacin por propiedades.

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1.1.- Materia, estructura, composicin, estados de agregacin y clasificacin

por propiedades.

Clasificaciones de la materia

Iniciemos nuestro estudio de la qumica examinando algunas formas fundamentales

de clasificar y describir la materia. Dos de los principales mtodos de clasificacin

de la materia se basan en su estado fsico (como gas, lquido o slido) y en su

composicin (como elemento, compuesto o mezcla). (ursten, !""#, p$g. %).

Sustancias y mezclas

&na sustancia es una forma de materia que tiene composicin definida (constante) y

propiedades distinti'as. on eemplos de ello el agua, amoniaco, az*car de mesa

(sacarosa), oro y oxgeno. +as sustancias difieren entre s por su composicin y se

pueden identificar seg*n su aspecto, color, sabor y otras propiedades.

&na mezcla es una combinacin de dos o m$s sustancias en la que stas

conser'an sus propiedades. algunos eemplos familiares de ello son el aire, las

bebidas gaseosas, la lece y el cemento. +as mezclas no poseen composicin

constante. -or tanto, las muestras de aire obtenidas en distintas ciudadesprobablemente diferir$n en su composicin a causa de diferencias de altitud,

contaminacin atmosfrica, etctera. (ang, !"/", p$g. //).

+as mezclas pueden ser omogneas o eterogneas. cuando se disuel'e una

cucarada de az*car en agua, se obtiene una mezcla omognea, en la que la

composicin de la mezcla es uniforme. in embargo, al mezclar arena con 'irutas

de ierro, tanto una como las otras se mantienen separada. 0n tal caso, se abla de

una mezcla eterognea porque su composicin no es uniforme.

ualquier mezcla, sea omognea o eterognea, se puede formar y luego separar

por medios fsicos en sus componentes puros sin cambiar la identidad de tales

componentes. 1s pues, el az*car se puede recuperar de una disolucin acuosa al

calentar esta *ltima y e'aporarla por completo. +a condensacin del 'apor permite

recuperar el agua. 0n cuanto a la separacin de la mezcla ierro2arena, es posible

usar un im$n para separar las 'irutas de ierro, ya que el im$n no atrae a la arena

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misma. Despus de la separacin, los componentes de la mezcla tendr$n la misma

composicin y propiedades que al principio. (ang, !"/", p$g. //).

Elementos y compuestos

0lementos

+as sustancias pueden ser elementos o compuestos. un elemento es una sustancia

que no se puede separar en otras m$s sencillas por medios qumicos. 3asta la

feca se an identificado //4 elementos. +a mayora de ellos se encuentran de

manera natural en la 5ierra. +os otros se an obtenido por medios cientficos

mediante procesos nucleares.

-or con'eniencia, los qumicos usan smbolos de una o dos letras para representar

a los elementos. +a primera letra del smbolo siempre es may*scula, no as la letra

siguiente. -or eemplo, o es el smbolo del elemento obalto, en tanto que o es

la frmula de la molcula monxido de carbono. +os smbolos de algunos elementos

se deri'an de su nombre en latn, por eemplo, 1u de 1urum (oro), 6e de 6errum

(ierro) y 7a de 7atrium (sodio), en cambio, en mucos otros casos guardan

correspondencia con su nombre en ingls. (ang, !"/", p$g. //,/! ).

ompuestos

asi todos los elementos pueden interactuar con otros elementos para formar

compuestos. 0l idrgeno gaseoso, por eemplo, arde en oxgeno para formar agua.

-or otro lado, es posible descomponer agua en sus elementos constituyentes

pasando a tra's de ella una corriente elctrica. 0l agua pura, sea cual sea su

origen, consiste en //8 de idrgeno y 9:8 de oxgeno en masa. 0sta composicin

macroscpica del agua corresponde a su composicin molecular, que consta de dos

$tomos de idrgeno combinados con uno de oxgeno. +as propiedades del agua no

se parecen a las de sus elementos componentes. 0l idrgeno, el oxgeno y el agua

son sustancias distintas. +a obser'acin de que la composicin elemental de un

compuesto puro siempre es la misma se conoce como ley de la composicin

constante (o ley de las proporciones definidas). 0l primero en proponer esta ley fue

el qumico francs ;osep +ouis -roust (/4%#2/9!


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preparados en el laboratorio y los compuestos correspondientes que se encuentran

en la naturaleza. 7o obstante, un compuesto puro tiene la misma composicin y

propiedades sea cual sea su origen. 5anto los qumicos como la naturaleza deben

usar los mismos elementos y suetarse a las mismas leyes naturales.

+as diferencias de composicin y propiedades entre dos sustancias indican que

contienen distintos compuestos o que difieren en su grado de pureza. (ursten,

!""#, p$g. 4).

Estados de la materia

1l menos en principio, todas las sustancias pueden existir en tres estados> slido,

lquido y gaseoso. +os gases difieren de los lquidos y slidos en la distancia que

media entre las molculas. (ang, !"/", p$g. /?).

&na muestra de materia puede ser gaseosa, lquida o slida. 0stas tres formas de

materia se denominan estados de la materia. +os estados de la materia difieren en

algunas de sus propiedades obser'ables.

&n gas (tambin llamado 'apor) no tiene 'olumen ni forma fios@ m$s bien, se austa

al 'olumen y la forma del recipiente que lo contiene. -odemos comprimir un gas de

modo que ocupe un 'olumen m$s peque=o, o expandirlo para ocupar uno mayor.

&n lquido tiene un 'olumen definido independiente del recipiente pero no tiene

forma especfica@ asume la forma de la porcin del recipiente que ocupa. &n slido

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tiene forma y 'olumen definidos@ es rgido. 7i los lquidos ni los slidos pueden

comprimirse de forma apreciable. +as propiedades de los estados pueden

entenderse en el ni'el molecular. 0n un gas, las molculas est$n muy separadas y

se mue'en a alta 'elocidad, cocando repetidamente entre s y con las paredes del

recipiente. 0n un lquido, las molculas est$n m$s cercanas, pero a*n se mue'en

r$pidamente, y pueden deslizar2 se unas sobre otras@ por ello los lquidos fluyen

f$cilmente.

0n un slido, las molculas est$n firmemente unidas entre s, por lo regular en

patrones definidos dentro de los cuales las molculas apenas pueden mo'erse un

poco de esas posiciones fias. -or ello, los slidos tienen forma rgida. (ursten,

!""#, p$g. %).

Propiedades de la materia

ada sustancia tiene un conunto *nico de propiedades> caractersticas que

permiten reconocerla y distinguirla de otras sustancias. +as propiedades de la

materia se pueden agrupar en dos categoras> fsicas y qumicas. -odemos medir

las propiedades fsicas sin cambiar la identidad ni la composicin de la sustancia.

0stas propiedades incluyen color, olor, densidad, punto de fusin, punto deebullicin y dureza. (ursten, !""#, p$g. :).

+as propiedades qumicas describen la forma en que una sustancia puede cambiar

o reaccionar para formar otras sustancias. -or eemplo, una propiedad qumica

com*n es la inflamabilidad, la capacidad de una sustancia para arder en presencia

de oxgeno. 1lgunas propiedades como> la temperatura, el punto de fusin y la

densidad, no dependen de la cantidad de muestra que se est$ examinando.

0stas propiedades, llamadas propiedades intensi'as, son especialmente *tiles en

qumica porque mucas de ellas pueden ser'ir para identificarlas sustancias. +as

propiedades extensi'as de las sustancias dependen de la cantidad de la muestra e

incluyen mediciones de la masa y el 'olumen. +as propiedades extensi'as tienen

que 'er con la cantidad de sustancia presente. (ursten, !""#, p$g. :).

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Cambios fsicos y umicos

1l igual que se ace con las propiedades de una sustancia, los cambios que sufren

las sustancias se pueden clasificar como fsicos o qumicos. Durante un cambio

fsico, las sustancias 'aran su apariencia fsica pero no su composicin. +a

e'aporacin del agua es un cambio fsico. uando el agua se e'apora, cambia del

estado lquido al gaseoso, pero sigue estando constituida por molculas de agua.

5odos los cambios de estado (por eemplo, de lquido a gas o de lquido a slido)

son cambios fsicos.

0n los cambios qumicos (tambin llamados reacciones qumicas), las sustancias se

transforman en sustancias qumicamente distintas. -or eemplo, cuando se quema

idrgeno en aire, sufre un cambio qumico porque se combina con oxgeno para

formar agua. 0ste proceso, 'isto desde la perspecti'a molecular. +os cambios

fsicos pueden ser dr$sticos. (ursten, !""#, p$g. /").

1.!.- Periodicidad umica

e denominan propiedades peridicas a aquellas propiedades que 'aran en forma

regular a lo largo de un periodo o de un grupo. 1lgunas de estas propiedades son

las siguientes> tama=o atmico, potencial de ionizacin, afinidad electrnica y

electronegati'idad. (Auardado, !""4, p$g. /#4).

"adio atmico

+a nube electrnica en torno a un $tomo no ayuda a precisar el concepto de tama=o

atmico. 1un as, es *til referirse al tama=o atmico o al radio atmico. Desde el

punto de 'ista operacional, se puede di'idir la distancia entre los centros de dos

$tomos unidos qumicamente, determinada experimentalmente, para obtener los

dos radios atmicos. i el enlace es co'alente, el radio se llama radio co'alente@ siel enlace es inico, el radio es un radio inico. (Bosenberg, !"":, p$g. //9).

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0l radio, para el caso en que no aya enlace, tambin se puede definir en trminos

de la distancia de mnimo acercamiento sin unin, y se llama radio de 'an der

Caals. e obser'an las siguientes generalizaciones en relacin con el tama=o

atmico>

/.Dentro de determinado grupo de la tabla peridica, el radio aumenta al

incrementar el n*mero atmico. 0sto se relaciona con el mayor n de la capa

externa.

!.Dentro de determinado periodo de la tabla peridica, los radios co'alentes

disminuyen, generalmente, al incrementar el n*mero atmico. 0sto se relaciona con

que> a) el tama=o de un $tomo depende de la distancia promedio de su o sus

electrones externos, b) no cambia n del o los electrones externos, dentro de

determinado periodo, y c) aumenta la carga nuclear al incrementar el n*mero

atmico. (Bosenberg, !"":, p$g. //9).

?.+os radios inicos de los cationes (iones positi'os) son bastante peque=os en

comparacin con los radios co'alentes de los $tomos correspondientes, porque

suelen aberse eliminado todos los electrones externos (n m$ximo). +os radios de

los aniones (iones negati'os) slo son un poco mayores que los radios de 'an derCaals de los $tomos correspondientes, porque el o los electrones adicionales tienen

el mismo n. in embargo, los radios co'alentes de esos $tomos son

apreciablemente menores, porque est$n unidos con sus 'ecinos compartiendo

electrones. (Bosenberg, !"":, p$g. //9,//:).

#.Dentro de determinado grupo, los radios inicos aumentan al incrementar el

n*mero atmico. Dentro de cierto periodo, los radios de los cationes disminuyen al

aumentar el n*mero atmico, de la misma manera que los radios de los aniones.

bser'e que, en determinado periodo, el radio del *ltimo catin y el primer anin no

se apegan a la tendencia. +a razn es que un ion es un catin por prdida de

electrones, pero un anin es el resultado de la ganancia de uno o 'arios electrones.

(Bosenberg, !"":, p$g. //:).

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"adio co#alente

uando se unen dos $tomos del mismo elemento, el radio atmico se define comola mitad de la distancia entre los dos n*cleos. (Auardado, !""4, p$g. /#4).

0emplos>

+a distancia internuclear en el enlace r2r

en la molcula r!, es !!9.< pm. 1s,

podemos decir que el radio atmico del r es

de //#.? pm

+a distancia internuclear en el enlace 2, del diamante es /%# pm. 1s, podemos

decir que el radio atmico del es de 44 pm.

i el carbono y el bromo se unen, 2r, la distancia de enlace entre ellos debe ser>

//#pm E 44pm F /:/ pm

+os datos obtenidos de manera indirecta, no difieren muco de los datos obtenidos

experimentalmente. 1l graficar los radios atmicos con respecto al n*mero atmico,

se an encontrado las siguientes tendencias peridicas. (Auardado, !""4, p$g.

/#4).

/. Dentro de un grupo de la tabla peridica, el radio atmico aumenta de arriba

acia abao, debido a que aumentan los ni'eles de energa y por consiguiente la

distancia del n*cleo acia los electrones externos. (Auardado, !""4, p$g. /#4).

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!. 0n un periodo, el radio atmico disminuye de izquierda a dereca. 0sto se debe a

que al recorrer un periodo se mantiene constante el n*mero de electrones internos,

mientras que el n*mero de electrones externos aumenta y pro'oca que se

incremente la carga nuclear efecti'a y disminuya el tama=o. (Auardado, !""4, p$g.

/#4).

?. 0l tama=o de un catin, o ion positi'o, es menor que el del $tomo neutro

correspondiente. 0sto se debe a que aumenta la carga positi'a sobre el n*cleo, y

los electrones son m$s fuertemente atrados. (Auardado, !""4, p$g. /#9).

#. 0l tama=o de un anin, o ion negati'o, es mayor que el del $tomo neutro

correspondiente. 0sto se debe a que aumenta la repulsin entre los electrones de la

capa externa y el electrn extra. (Auardado, !""4, p$g. /#9).

Energa de $onizacin

+a frmula de or para los ni'eles energticos del $tomo de idrgeno indica que

los ni'eles energticos m$s altos se acercan cada 'ez m$s entre s y tienden a un

lmite de cero cuando n G H. 0n este lmite, el $tomo se a ionizado. +a energa

mnima necesaria para ionizar un $tomo gaseoso aislado puede determinarse con

mtodos espectroscpicos, termoqumicos o elctricos. on el mtodo elctrico se

mide el potencial de aceleracin que imparte a un electrn proyectil (no a un

electrn dentro del $tomo) una cantidad de energa cintica, apenas suficiente para

separar al electrn enlazado de su $tomo. 0so quiere decir que, en trminos

elctricos, se puede medir la energa de ionizacin en forma directa.

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0l electron'olt, e', es la energa impartida a un electrn acelerado por una diferencia

de potencial de / . (7ota> / F / ;J.) 0l 'alor de un electron'olt se expresa de la

manera siguiente>

(Bosenberg, !"":, p$g. /??).

%finidad electrnica

+a afinidad electrnica se define como la energa que se libera o se absorbe cuando

un $tomo neutro en estado gaseoso gana un electrn para formar un ion negati'o

(anin). (Auardado, !""4, p$g. /%").

5anto el potencial de ionizacin como la afinidad electrnica se 'en afectadas por el

tama=o atmico. 0ntre mayor sea la afinidad electrnica de un elemento, mayor

ser$ su tendencia a ganar electrones, as>

+os no metales, al tener alta afinidad electrnica y alto potencial de ionizacin, su

tendencia es a ganar electrones. 1s mismo, los metales al presentar baa afinidad

electrnica y bao potencial de ionizacin, su tendencia es a perder electrones. 1l

graficar las afinidades electrnicas de los elementos con respecto al n*meroatmico, se an encontrado las siguientes tendencias peridicas. (Auardado, !""4,

p$g. /%").

/. 1l recorrer de arriba acia abao un grupo de la tabla peridica, la afinidad

electrnica disminuye. 0sto se explica, debido a que el $tomo aumenta de tama=o y

por consiguiente, la distancia del n*cleo acia los electrones externos aumenta,

pro'ocando la f$cil eliminacin del electrn y dificultando la ganancia de electrones.

0sto explica por qu en los grupos del /? al /9 los elementos que se encuentran en

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la parte baa del grupo tienen ciertas caractersticas met$licas. (Auardado, !""4,

p$g. /%").

!. 1l recorrer un periodo de izquierda a dereca la afinidad electrnica aumenta.

0sto se explica, por el aumento de carga nuclear efecti'a que pro'oca que el

tama=o disminuya, aciendo m$s difcil eliminar un electrn y facilitando la ganancia

de electrones. (Auardado, !""4, p$g. /%").

Electronegati#idad

+a electronegati'idad se define como la medida de la capacidad que tiene un $tomo

en una molcula, para atraer aca s los electrones del enlace. (Auardado, !""4,

p$g. /%/).

+a electronegati'idad al igual que la afinidad electrnica, aumenta de izquierda a

dereca y de abao acia arriba. De forma tal, que el elemento m$s electronegati'o

es el fl*or y el menos electronegati'o es el francio. +a electronegati'idad es una

propiedad molecular que se manifiesta cuando los $tomos se encuentran unidos y

es importante para predecir el tipo de enlace formado. (Auardado, !""4, p$g. /%/).

+os $tomos de los elementos m$s electronegati'os son los que eercen mayor

atraccin sobre los electrones compartidos en un enlace co'alente. +inus -auling

fue el primero en idear una escala numrica de electronegati'idades y asign un

'alor de #." al fl*or como el elemento m$s electronegati'o. (Auardado, !""4, p$g.

/%/).

1.& - Elementos de importancia econmica, industrial y ambiental en la regino el pas.

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1luminio (1l)> Ketal ligero resistente a la corrosin resistente al impacto, se puede

laminar e ilar, por lo que se emplea en construccin, en partes de 'eculos,

a'iones y utensilios domsticos. e le extrae de la bauxita, la cual contiene aluminio

1l!? , por reduccin electroltica. Kxico carece de bauxita pero en eracruz ay

una planta que produce lingotes de aluminio.

1zufre ()> 7o metal, solido de color amarillo, se encuentra en yacimientos

'olc$nicos y aguas saturadas. e emplea en la elaboracin de fertilizantes,

medicamentos, insecticidas,, productos qumicos y petroqumicos@ se recupera de

los gases amargos de campos petrolferos como el de d. -0K0L, 5abasco.

obalto (o)> Ketal de color blanco que se emplea en la elaboracin de aceros

especiales debido a su alta resistencia al calor, corrosin y friccin. e emplea en

erramientas mec$nicas de alta 'elocidad, imanes y motores. 0n forma de pol'o se

emplea como pigmento azul para el 'idrio. 0s catalizador. u istopo radiacti'o se

emplea ene l Instituto 7acional de In'estigaciones 7ucleares (I.7.I.7.) Kxico,

porque produce radiaciones gamma. e an encontrado minerales oxidados y

sulfuros en onora, ;alisco, Kicoac$n, -uebla y axaca.

obre (u)> Ketal de color roo que se carbonata al aire *medo y se pone 'erde,

conocido desde la antigMedad. e emplea principalmente como conductor elctrico,

tambin para acer monedas, y en aleaciones como latn y bronce. 0ntre los

distritos mineros productores est$n> onora, Nacatecas y iuaua.

3iero (6e)> Ketal d*ctil, maleable, de color gris negruzco, conocido desde la

antigMedad, se oxida al contacto con el aire *medo. e extrae de minerales como

la emalita, limonita, pirita, magnetita y siderita. e le emplea en la industria, arte y

medicina. -ara fabricar acero, cemento, fundiciones de metales no ferrosos@ la

sangre lo contiene en la emoglobina. 0n el -as se le encuentra en unos !%"

depsitos que est$n en aa alifornia, olima, ;alisco, iuaua, Durango,

Auerrero y Kicoac$n. (1K-, /::?, -1A 0ste no metal est$ contenido en la fluorita a6, en forma de 'etas

encaonadas en calizas. +a fluorita se emplea como fundente en ornosmetal*rgicos para obtener 36, 73#6 y grabar el 'idrio, tambin en la industria

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qumica, cer$mica y potabilizacin del agua. +os depsitos mexicanos de fluorita

est$n en oauila, an +uis -otos, Durango y iuaua.

6sforo (-)> 0lemento no met$lico que se encuentra en la roca fosfrica que

contiene -!"? o en la fosforita a!(-#)!. +os uesos y los dientes contienen este

elemento. 5iene aplicaciones para la elaboracin de detergentes, pl$sticos, lacas,

cerillos, explosi'os, refinacin de az*car, industria textil, fotografa, fertilizantes,

cer$mica, pinturas, alimentos para ganados y a'es. +os yacimientos mexicanos de

roca fosfatada se localizan en oauila, Nacateca, 7ue'o +en y aa alifornia.

Kercurio (3g)> Ketal lquido a temperatura ambiente, de color blanco brillante,

resistente a la corrosin y buen conductor elctrico. e le emplea en la fabricacin

de instrumentos de precisin, bateras, termmetros, barmetros, amalgamas

dentales, armas para preparar cloro, sosa c$ustica, medicamentos, insecticidas,

fungicidas y bactericidas. +os yacimientos de mercurio en la Bep*blica se

encuentran en m$s de /% 0stados, destacando Ouertaro, Nacatecas, Durango,

an +uis -otos, Auerrero. e le obtiene principalmente del cinabrio que contiene

3g.

-lata (1g)> Ketal color blanco, su uso tradicional a sido en la acu=acin demonedas y manufactura de 'aillas y oyas. e emplea en fotografa, aparatos

elctricos, aleaciones, soldaduras. 0ntre los 0stados productores est$n Auanauato,

an +uis -otos, Nacatecas e 3idalgo.

+a produccin de plata en Kxico se obtiene como subproductos del beneficio de

sulfuros de plomo, sobre y zinc que la contienen. Becientemente se a substituido

su uso en monedas por la aleacin cobre2nquel.

-lomo (-b)> Ketal blando, de bao punto e fusin, bao lmite el$stico, resistente a la

corrosin, se le obtiene del sulfuro llamado galena -b. e usa en bateras o

acumuladores, pigmentos de pinturas, linotipos, soldaduras, in'estigaciones

atmicas. +a produccin se localiza en /4 0stados entre ellos iuaua y

Nacatecas. tros productos que se obtienen o se pueden recuperar de los minerales

que lo contienen son> cadmio, cobre, oro, plata, bismuto, arsnico, telurio yantimonio. (1K-, /::?, -1A


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ro (1u)> Ketal de color amarillo, inalterable, d*ctil, brillante, sus propiedades y su

rareza le acen ser excepcional y de gran 'alor. 0s el patrn monetario

internacional. 0n la naturaleza se encuentra asociado al platino, a la plata y al telurio

en unos casos. us aleaciones se emplean en oyera y ornamentos, piezas

dentales, equipos cientficos de laboratorio. Becientemente se a substituido su uso

en oyera por el iridio y el rutenio, en piezas dentales por platino y paladio. +os

yacimientos en el pas son escasos pero los ay en iapas, iuaua, Durango,

Auanauato, Auerrero, 3idalgo, axaca, Kicoac$n, an +uis -otos y Nacatecas.

&ranio (&)> &tilizado como combustible nuclear, este es un elemento raro en la

naturaleza y nunca se presenta en estado libre. 0xisten /%" minerales que lo

contiene. 0l torio se encuentra asociado al uranio. 0n Kxico este mineral est$

regido por la ley promulgada en /:#:, que declara como reser'as mineras

nacionales los yacimientos de uranio, torio y dem$s substancias de las cuales se

obtenga istopos que puede producir energa nuclear.

(1K-, /::?, -1A

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