1.2: Introducción a la Química y la Materia
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- Discutir la materia, los elementos, las moléculas y los átomos
- Explicar la electronegatividad
- Explicar la unión química y los compuestos
- Explicar ecuaciones químicas y reacciones
- Discutir los estados físicos de la materia
La química es un aspecto esencial de las Tecnologías del Agua. La tecnología puede definirse como “la aplicación de la ciencia a objetivos industriales y comerciales”. A cambio, la ciencia es “la observación, identificación, descripción, investigación experimental y explicación teórica de los fenómenos naturales”. En cuanto a la química, es “la ciencia de la composición, estructura, propiedades y reacciones de la materia, especialmente de los sistemas atómicos y moleculares”.
Este capítulo presenta los fundamentos de la química, comenzando con una introducción a la materia y sus constituyentes elementales, es decir, elementos, átomos, moléculas y compuestos. Luego se introducen los arreglos moleculares y la unión química, seguido de ejemplos de nomenclatura química.
Composición de la Materia
El universo está hecho de dos cosas: la energía y la materia. La materia puede verse como cualquier cosa que tenga una masa y ocupe espacio, es decir, que tenga un volumen específico. La masa se define como una medida de la cantidad de materia presente.
La masa es diferente al peso: el peso es una fuerza que puede ser calculada por el producto de la masa multiplicada por la aceleración de la gravedad.
Elementos y Átomos
En el centro de toda la materia están los elementos. Los elementos son sustancias básicas que no se pueden descomponer sin alterar sus identidades básicas; no se pueden simplificar aún más (por ejemplo, hidrógeno, H; oxígeno, O). Un átomo es la cantidad más pequeña de un elemento. El centro de cada átomo contiene un núcleo hecho de protones (partículas muy pequeñas con carga eléctrica positiva) y neutrones (partículas muy pequeñas, sin carga eléctrica), con electrones (partículas muy pequeñas, cargadas negativamente) que gravitan alrededor del núcleo. Los electrones tienen una masa insignificante en comparación con los protones y neutrones.
Los electrones gravitan alrededor del núcleo de protones y neutrones en capas o conchas (Figura 1.2.1). Solo hay un número limitado de electrones por caparazón, como se muestra en la Figura 1.2.2.
Así, el número máximo de conchas para el elemento que contiene el mayor número de electrones es siete (7).
Los átomos tienen el mismo número de protones y electrones, así, los átomos tienen una carga eléctrica neutra. Sin embargo, la mayoría de los átomos tienden a ganar o perder electrones para completar su última capa de electrones y obtener una configuración electrónica estable. Solo el Gas Noble (como el helio, el neón y el argón) no tiende a ganar o perder electrones porque su configuración electrónica es naturalmente estable. Un átomo con un número desigual de protones y electrones se llama ion. Los átomos que pierden uno o más electrones se cargan positivamente y se denominan cationes (por ejemplo, sodio, Na+). Los átomos que ganan uno o más electrones se cargan negativamente y se llaman anión (por ejemplo, cloruro, Cl-). Tenga en cuenta que solo los electrones se ganan, pierden o comparten porque están fácilmente disponibles; solo los compuestos radiactivos pueden liberar protones y neutrones.
Cationes: Iones cargados positivamente
Aniones: iones cargados negativamente
La Tabla Periódica ilustra todos los elementos que se han encontrado o sintetizados hasta la fecha (Figura 1.2.3). En esta tabla, los elementos se ordenan aumentando el número de protones (de izquierda a derecha en cada fila; las filas se llaman periodos) y se agrupan en columnas (llamadas grupos) por configuración electrónica. Por ejemplo, el cloro aparece como el número 17 en la Tabla Periódica (es decir, su número atómico es 17), lo que significa que tiene 17 protones. El cloro es parte de la Familia Halógena, que todos tienden a ganar un electrón para estabilizar su última capa de electrones. Mientras ganan este electrón, se cargan negativamente (e.g., el cloro se convierte en cloruro, Cl-). Cada columna representa una familia, por ejemplo, metales alcalinos (columna 1), metales alcalinotérreos (columna 2), halógenos (columna 17) y gases nobles (columna 18). Algunas familias llevan el nombre de su primer elemento, por ejemplo, Familia del Boro (Columna 13), Familia del Nitrógeno (Columna 15) y Familia del Oxígeno (Columna 16). Más adelante se presentan características adicionales.
La valencia (también llamada estado iónico o estado de oxidación) es el número de electrones ganados, perdidos o compartidos entre átomos. Debido a que todos los elementos de una familia comparten una configuración electrónica similar, todos tienden a tener la misma valencia, de la siguiente manera:
- Los Gases Noble son estables, y por lo tanto, su valencia es 0
- Los metales alcalinos tienden a perder un electrón, y por lo tanto su valencia es +1
- Los metales alcalinotérreos tienden a perder dos electrones, y por lo tanto su valencia es +2
- Elementos de la Familia del Boro tienden a perder tres electrones, y por lo tanto su valencia es +3
- Los halógenos tienden a ganar un electrón, y por lo tanto su valencia es -1
- Los elementos de la Familia del Oxígeno tienden a ganar dos electrones, y por lo tanto su valencia es -2
- Los elementos de la Familia del Nitrógeno tienden a ganar tres electrones, y por lo tanto su valencia es -3
Sin embargo, ciertos elementos tienen múltiples valencias, con diferentes características en función de su valencia. Por ejemplo, el hierro ferroso, Fe2+, ha perdido dos electrones (tiene una cenefa de +2) y es altamente soluble en agua. Por otro lado, el hierro férrico, Fe3+ (valencia de +3), ha perdido tres electrones y es insoluble en agua, es decir, forma un sólido y precipita. El cromo trivalente (es decir, cromita, también llamado cromo 3, Cr (III) o Cr3+) ha perdido tres electrones y tiene una valencia de +3. Es un elemento esencial que ayuda a regular el uso del cuerpo de azúcar, proteínas y grasas. Sin embargo, el cromo hexavalente (es decir, cromato, también llamado cromo 6, Cr (VI) o Cr6+) ha perdido seis electrones (valencia de +6) y es tóxico para los humanos.
La electronegatividad es el grado de atracción de un elemento por los electrones; define la afinidad de un elemento por los electrones. La electronegatividad determina si un átomo ganará, perderá o compartirá electrones.
Moléculas y Compuestos
Las moléculas o compuestos resultan de la combinación de dos o más átomos que están unidos químicamente (o unidos); por ejemplo, oxígeno en el aire, O2; agua, H2O. Los átomos tenderán a combinarse de tal manera que aumenten su estabilidad y completen su configuración electrónica. Para algunas moléculas, esto significa que obtendrán una carga eléctrica neta cero.
Los enlaces químicos pueden agruparse en dos amplias categorías, como se ilustra en las Figuras 1.2.4.1 y 1.2.4.2.
- En un enlace iónico, los electrones se transfieren de un átomo a otro. El átomo que pierde un electrón (s) se carga positivamente y se llama catión. Por el contrario, el átomo que gana un electrón (s) se carga negativamente y se llama anión. En la Tabla 1.2.5 se muestran ejemplos de enlaces iónicos.
- En un enlace covalente, los electrones se comparten entre los átomos. La electronegatividad de cada átomo determinará la polaridad de la molécula resultante:
- Las moléculas homonucleares (es decir, moléculas que están compuestas por un solo tipo de elemento, como cloro, Cl2, u oxígeno, O2) son no polares porque cada átomo tiene la misma electronegatividad, o atracción por los electrones. Los ejemplos se muestran en la Tabla 1.2.6.
- Las moléculas heteronucleares están hechas de diferentes elementos, los cuales pueden tener diferentes electronegatividades. Debido a que los electrones no se comparten por igual, la molécula resultante está polarizada, es decir, una parte de la molécula es ligeramente más positiva y la otra parte es ligeramente más negativa. Los ejemplos se muestran en el Cuadro 1.2.6, que se encuentra más adelante en este capítulo.
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Tabla 1.2.5: Ejemplos de enlaces iónicos |
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Cloruro de sodio, NaCl |
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Óxido de sodio, Na2O |
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Tabla 1.2.6: Ejemplos de enlaces covalentes |
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Moléculas homonucleares: Igual atracción para el electrón (s) compartido (s) |
Hidrógeno, H2: Enlace covalente sencillo: H - H |
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Cloro, Cl2: Enlace covalente sencillo: Cl - Cl |
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Oxígeno, O2: Doble enlace covalente: O = O |
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Nitrógeno, N2: Enlace triple covalente: N ≡ N |
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Molécula heteronuclear: Atracción desigual para el electrón (s) compartido (s) Ejemplo: Agua, H2O |
Valencia de +1: Necesita 1 bono |
Valencia de -2: Necesita 2 bonos |
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(2 x H+1) + (1 x O2-) = H2O |
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Las diferencias clave entre los enlaces iónicos y covalentes se resumen en la Tabla 1.2.7.
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Cuadro 1.2.7: Comparación de enlaces iónicos y enlaces covalentes |
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Enlaces Iónicos |
Enlaces covalentes |
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Disociación
Las moléculas que resultan de enlaces covalentes polares (es decir, átomos de diferentes tipos que comparten electrones) pueden descomponerse o disociarse. Este es el caso del agua, H2O, que se disocia en un ion hidrógeno, H+, e hidróxido, OH-. La disociación del agua se mide como pH.
Fórmulas Químicas y Nomenclatura
Fórmulas Químicas
Una fórmula química es un método taquigráfico para describir una sustancia química. Hay una serie de pautas que se siguen al escribir fórmulas químicas:
- La fórmula contiene los símbolos de cada elemento presente en la sustancia, según la Tabla Periódica (Figura 1.2.8).
- La fórmula define la relación de los elementos presentes usando subíndices a la derecha del átomo. El subíndice indica ese número de átomos de este elemento en particular que están presentes en la sustancia. En la Figura 1.2.10 se presentan ejemplos.
- Los subíndices también pueden aplicarse a grupos de átomos que ocurren como una unidad. En este caso, se utilizan paréntesis alrededor de estos grupos, y el subíndice a la derecha de los paréntesis indica cuántos grupos están presentes en la sustancia. Un ejemplo se muestra en la Figura 1.2.10. Tenga en cuenta que si solo hay 1 átomo de un elemento en particular, no se necesita subíndice.
- La fórmula generalmente comienza con el átomo catiónico (átomo cargado positivamente), pero los radicales se mantienen juntos. Los ejemplos se muestran en la Tabla 1.2.9.
Como se mencionó anteriormente, las especies químicas cargadas (llamadas iones) pueden estar compuestas por dos o más átomos que actúan como una sola unidad. Estos también se pueden llamar iones poliatómicos, o iones moleculares. Una serie de iones moleculares comunes encontrados en la industria del agua se presentan en el Cuadro 1.2.9.
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Cuadro 1.2.9: Iones moleculares comunes en la industria del agua |
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Ion Molecular |
Composición |
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Ión hidróxido (OH-) |
1 átomo de oxígeno, O: -2 |
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Ion carbonato (CO32-) |
1 átomo de carbono, C: +4 |
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Ión bicarbonato (HCO3-) |
1 átomo de hidrógeno, H: +1 |
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Ion amonio (NH4+) |
1 átomo de nitrógeno, N: -3 |
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Ion sulfato (SO42-) |
1 átomo de azufre, S: +6 |
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Tabla 1.2.11: Ejemplos de Fórmulas Químicas con Radicales |
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Moléculas |
Ácidos |
Bases |
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Bicarbonato de sodio: NaHCO3 Bicarbonato de calcio: Ca (HCO3) 2 Sulfato de aluminio: Al2 (SO4) 3 Carbonato de amonio: (NH4) 2CO3 |
Ácido clorhídrico: HCl Ácido sulfúrico: H2SO4 Ácido nítrico: HNO3 |
Hidróxido de sodio: NaOH Hidróxido de calcio: Ca (OH) 2 |
Nombres Químicos
La Tabla Periódica (Figura 1.2.3) presenta todos los elementos que la humanidad conoce hasta nuestros días.
Al nombrar moléculas y compuestos químicos, el nombre del catión es exactamente el mismo que el nombre del elemento, como se enumera en la Tabla Periódica. El nombre del anión, sin embargo, no es exactamente el mismo: el final del nombre del elemento termina en —ide. Por ejemplo, el cloruro es el anión del elemento cloro.
Los compuestos binarios (es decir, los compuestos que contienen solo dos elementos) normalmente están hechos de un metal y un no metal. Si estos compuestos tienen valencias predecibles, también terminan en —ide, aunque un elemento tenga múltiples átomos; por ejemplo, cloruro de magnesio, MgCl2.
Los metales con valencias variables, como los Metales de Transición (Columnas 3 a 12 de la Tabla Periódica, Figura 1.2.3), son más complejos porque van seguidos de un símbolo que refleja la valencia. Esto se introdujo anteriormente en la Sección 2.1.1. Por ejemplo, el cromo trivalente (es decir, cromita) tiene una valencia de +3, y se denomina Cr (III), o Cr3+; el cromo hexavalente (es decir, cromato) tiene una valencia de +6 y se denomina Cr (VI) o Cr6+.
Nombrar ácidos y sus derivados es más complejo y puede depender del estado de oxidación del ácido. Generalmente, los ácidos con el estado de oxidación más alto terminan en —ic; por ejemplo, ácido sulfúrico (H2SO4), ácido nítrico (HNO3) o ácido fosfórico (H3PO4). Sus sales terminan en —ato; e.g., sulfato (SO42-), nitrato (NO3-) o fosfato (PO42-). Los ácidos con el siguiente estado de oxidación más bajo terminan en —ous; e.g., ácido sulfuroso, H2SO3. Sus sales terminan en —ite; e.g., sulfito, SO32-. Los ácidos con el estado de oxidación más bajo comienzan en hipo— y terminan en —ous; e.g., ácido hipocloroso, HOCl. Sus sales comienzan en hipo— y terminan en —ite; e.g., ion hipoclorito, OCl-.
Ecuaciones Químicas
Un cambio químico se conoce como reacción química. Una reacción química identifica los reactivos involucrados, los productos formados e indica las cantidades relativas de cada sustancia involucrada. En una reacción química, los reactivos se separan de los productos por símbolos específicos, como “→” o “”. Los reactivos están separados por signos “+”, y de igual manera para los productos, que también están separados por signos “+”. Los reactivos y productos también pueden estar precedidos por coeficientes que indican la cantidad relativa de cada sustancia. Se considera un coeficiente de “1” donde no se muestran coeficientes. También se pueden incluir otros símbolos encima del símbolo de rendimiento (es decir, “→”) para proporcionar información específica sobre la reacción química. De igual manera, ciertos símbolos aparecen a veces después de fórmulas químicas para indicar el estado físico de la sustancia, es decir, si es un sólido, líquido o un gas. En el cuadro 1.2.12 se resumen los símbolos que se utilizan típicamente en las reacciones químicas.
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Tabla 1.2.12: Símbolos típicos utilizados en reacciones químicas |
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Símbolo |
Significado |
Posición |
|
+ |
Además, además de |
Entre sustancias |
|
→ |
Rendimientos |
Entre reactivos y productos |
|
⇌ |
Equilibrio |
Entre reactivos y productos |
|
Δ |
Calor |
Por encima del “→” |
|
hν |
Energía de la luz |
Por encima del “→” |
|
(s) |
Sólido |
Después de una fórmula química |
|
(l) |
Líquido |
Después de una fórmula química |
|
g) |
Gas |
Después de una fórmula química |
|
(aq) |
Acuosos |
Después de una fórmula química |
|
↑ |
Escapadas de agua |
Después de una fórmula química |
|
↓ |
Precipitados de sustancias |
Después de una fórmula química |
Por ejemplo, el aluminio reacciona con el óxido de hierro para formar hierro y óxido de aluminio, de acuerdo con la siguiente ecuación:
- Ecuación química básica: Al + Fe 2 O 3 → Fe + Al 2 O 3
- Con coeficientes adecuados: 2 Al + Fe 2 O 3 → 2 Fe + Al 2 O 3
- (Se considera un coeficiente de “1” para Fe 2 O 3 y Al 2 O 3)
Δ
- Considerando la necesidad de calor: 2 Al + Fe 2 O 3 → 2 Fe + Al 2 O 3f
Δ
- Indicación de estados físicos: 2 Al (s) + Fe 2 O 3 (s) → 2 Fe (l) + Al 2 O 3 (s)
Equilibrio de ecuaciones químicas
Los átomos no pueden crearse ni destruirse en el transcurso de las reacciones químicas. Así, el número de átomos debe ser el mismo para cada elemento y en cada lado de la ecuación (es decir, en los reactivos y en los productos). Este es el propósito de equilibrar ecuaciones químicas.
Los siguientes pasos están involucrados al equilibrar ecuaciones químicas:
- Identificar la reacción
- Identificar los reactivos y productos
- Asegúrese de que las fórmulas químicas sean correctas
- Contar cada átomo
- Coeficiente de uso para equilibrar cada sustancia
Estados Físicos de la Materia
El Capítulo 1 mencionó que “Los contaminantes en el agua pueden estar en fase gaseosa, disuelta o sólida”. Estas fases pueden estar asociadas con estados físicos. Los estados de la materia son formas distintas que la materia puede tomar. Se basan en cómo se organizan los elementos en la materia. La materia puede tomar cuatro estados diferentes (Figura 1.2.13):
- Sólido: El volumen y la forma son fijos
- Líquido: Volumen fijo, pero forma variable que se adapta a su contenedor
- Gas: El volumen y la forma son variables
- Plasma: Volumen y forma variables, con cargas eléctricas
Los estados físicos de la materia reflejan diferentes niveles de energía: los sólidos tienen el nivel de energía más bajo, seguidos de los líquidos. Los gases tienen mayor nivel de energía, y el plasma tiene el nivel de energía más alto. En el agua, los tres primeros estados (es decir, sólido, líquido y gas) son importantes.
Una fase también puede ser vista como una región homogénea de la materia. Por lo tanto, una mezcla homogénea tiene sólo una fase. En comparación, una mezcla heterogénea tiene más de una fase. Cabe señalar que las sustancias conservan sus identidades individuales dentro de una mezcla, y así, pueden separarse por diversos medios. En la industria del agua, esto se hace utilizando procesos de tratamiento de agua.
Preguntas de revisión
- Definir la materia.
- Definir elemento.
- Definir átomo.
- Definir la electronegatividad.
- Enumere los tipos de unión química y defina cada uno.
- ¿Qué es una reacción química?
- Enumerar los estados físicos de la materia y describir cada uno.
Cuestionario de capítulo
- ___________ determina si un átomo ganará, perderá o compartirá electrones.
- Enlace covalente
- Unión iónica
- Estados físicos de la materia
- Electronegatividad
- Los estados físicos de la materia reflejan diferentes niveles de energía; ___________ tienen el nivel de energía más bajo.
- Sólidos
- Líquidos
- Gas
- Plasma
- ___________ son sustancias básicas que no pueden descomponerse sin alterar sus identidades básicas; no pueden simplificarse más.
- Átomos
- Moléculas
- Electrones
- Protones
- Un ___________ es un método taquigráfico para describir una sustancia química.
- Reacción química
- Reactante
- Producto
- Fórmula química
- ¿Qué se define como la separación de un compuesto químico en dos o más átomos o compuestos más simples?
- Reacciones de síntesis
- Reacciones de combustión
- Reacciones de descomposición
- Reacciones de intercambio
- Identificar el/los producto (s): H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O
- H2SO4
- H2SO4 y NaOH
- H2O
- Na2SO4 y H2O
- El centro de cada átomo contiene un núcleo hecho de protones (partículas muy pequeñas con carga eléctrica positiva) y neutrones (partículas muy pequeñas, sin carga eléctrica), con electrones (partículas muy pequeñas, cargadas negativamente) que gravitan alrededor del núcleo.
- Protones y neutrones
- Electrones
- Neutrones
- Protones
- ___________ son partículas muy pequeñas con una carga eléctrica positiva.
- Protones y neutrones
- Electrones
- Neutrones
- Protones
- ___________ son partículas muy pequeñas, cargadas negativamente.
- Protones y neutrones
- Electrones
- Neutrones
- Protones
- ___________ no puede crearse ni destruirse en el transcurso de reacciones químicas. Así, el número de ___________ debe ser el mismo para cada elemento y en cada lado de la ecuación.
- Moléculas, moléculas
- Reactivos, productos
- Átomos, átomos
- Productos, reactivos