Química 1 para ingenieros/Elementos y compuestos inorgánicos

Introducción a la tabla periódica

Clasificación de la tabla periódica

Más de la mitad de los elementos que se conocen en la actualidad se descubrieron entre 1800 y 1900. Durante este periodo los químicos observaron que muchos elementos mostraban grandes semejanzas entre ellos, como algunas propiedades físicas y el comportamiento químico, lo cual condujo al desarrollo de la tabla periódica en 1869. El químico ruso Dimitri Mendeleev y el químico alemán Lothar Meyer publicaron en forma independiente uno del otro ordenamientos de los elementos que se asemejan bastante a la tabla periódica actual. En esencia, la clasificación de Mendeleev se basó en las propiedades químicas de los elementos, en tanto que la de Lothar Meyer, en su mayor parte en las propiedades físicas. En ambas se destacaba la periodicidad, o repetición periódica regular, de las propiedades en concordancia con el incremento de la masa atómica.

Grupos y periodos

En la figura 1 se muestra la tabla periódica moderna, en la que los elementos están acomodados de acuerdo con su número atómico (Z, que aparece sobre el símbolo del elemento), en las horizontales, llamadas periodos, y en columnas verticales, conocidas como grupos o familias, de acuerdo con sus semejanzas en las propiedades químicas. Los elementos se dividen en tres categorías: metales, no metales y metaloides. Un metal es un buen conductor del calor y la electricidad, en tanto que un no metal generalmente es un mal conductor del calor y la electricidad. Un metaloide presenta propiedades intermedias entre los metales y los no metales.

Moléculas y compuestos moleculares

Moléculas y Fórmulas moleculares

Una molécula es un agregado de, por lo menos, dos átomos en un arreglo definido que se mantienen unidos a través de fuerzas químicas. Una molécula puede contener átomos del mismo elemento o átomos de dos o más elementos, siempre en una proporción fija, de acuerdo con la ley de las proporciones definidas.

La fórmula química de una sustancia muestra su composición química y representa tanto a los elementos presentes como la proporción en la que se encuentran los átomos de dichos elementos. La fórmula de un solo átomo es igual a su símbolo; por lo tanto, sodio (Na) puede representar a un átomo de sodio. No es muy común encontrar átomos aislados en la naturaleza, salvo en el caso de los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn). Un subíndice después del símbolo de un elemento indica el número de átomos que forman una molécula.

Fórmulas moleculares y empíricas

Las fórmulas químicas que indican los números y tipos de átomos de cada elemento en una molécula se conocen como fórmulas moleculares y debe conocerse tanto su fórmula empírica como su masa molecular. Las fórmulas químicas que solo proporcionan el número relativo de cada tipo de átomos en una molécula se conocen como fórmulas empíricas. Los subíndices en una fórmula empírica siempre son las razones más pequeñas posibles de números enteros. Por ejemplo, la fórmula molecular del peróxido de hidrógeno es $H_{2}O_{2}$, mientras que su fórmula empírica es $HO$. Siempre que se conoce la fórmula molecular de un compuesto, es posible determinar su fórmula empírica. Sin embargo, lo contrario no se cumple.

Iones y compuestos iónicos

Predicción de cargas

Muchos átomos ganan o pierden electrones, pero finalizan con el mismo número de electrones que el gas noble más cercano a ellos en la tabla periódica. Un ion es un átomo o grupo de átomos con carga eléctrica. Los iones con carga positiva, como el ion sodio, $Na^{+}$, se llaman cationes, los que tienen carga negativa, como el ion cloruro, $Cl^{-}$, se llaman aniones. Cuando se escribe la fórmula ion, la carga iónica debe incluirse como superíndice a la derecha del símbolo químico.

Por ejemplo, la pérdida de un electrón de un átomo de sodio deja a este con el mismo número de electrones que el átomo de neón $(10e)$. De manera similar, cuando el cloro para un electrón, termina con 18, el mismo número de electrones que el argón.

Compuestos iónicos

Los compuestos iónicos generalmente consisten en iones metálicos combinados con iones no metálicos. Los metales forman los cationes, y los no metales forman los aniones. Cuando el sodio elemental reacciona con cloro elemental, un electrón se transfiere de un átomo de sodio hacia un átomo de cloro, para formar un ion $Na^{+}$ y un ion $Cl^{-}$. Puesto que objetos de carga expuesta se atraen, los iones sodio y cloro se unen mediante un enlace iónico para formar el compuesto cloruro de sodio $(NaCl)$.

Nombres y fórmulas de compuestos iónicos

Las fórmulas de los compuestos iónicos por lo general son las mismas que sus fórmulas empíricas, debido, a que los compuestos iónicos no están formados por unidades moleculares discretas (constituidas por un número bien definido de átomos, sean estos del mismo elemento como moléculas homonucleares o de elementos distintos como moléculas heteronucleares).

Por ejemplo, una muestra sólida de cloruro de sodio (NaCl) consiste en el mismo número de iones de $Na^{+}$ y $Cl^{-}$ dispuestos en una red tridimensional llamada rejilla . En este compuesto existe una proporción de cationes y aniones de 1:1 de forma que el compuesto es eléctricamente neutro.

Nombres y fórmulas de ácidos y bases

- Los ácidos que contienen aniones cuyos nombres terminan en -uro se nombran escribiendo la palabra ácido, seguida por el nombre del anión, pero en lugar de utilizar la terminación {-uro}, se cambia por la terminación {-hídrico}:

Anión	Ácido correspondiente
$Cl^{-}$ (cloruro)	$HCL$ (ácido clorhídrico)
$S^{2-}$ (sulfuro)	$H_{2}S$(ácido sulhídrico)

- Los ácidos que contienen aniones cuyos nombres terminan en -ato y -ito, se nombran escribiendo la palabra ácido más el nombre del anión, pero se cambian las terminaciones -ato por -ico e -ito por -oso. Los prefijos en el nombre del anión, permanecen en el nombre del ácido.

Anión	Ácido correspondiente
$Cl_{4}^{-}$ (perclorito	$HClO_{4}$ (ácido perclórico)
$ClO_{3}^{-}$ (clorato)	$HClO_{3}$ (ácido clorico)
$ClO_{2}^{-}$ (clorito)	$HClO_{2}$ (ácido cloroso)
$ClO^{-}$ (hipoclorito)	$HClO$ (ácido hipocloroso)

Nombres y fórmulas de compuestos moleculares binarios

Los compuestos moleculares por lo general, están formados por elementos no metálicos. Muchos compuestos moleculares son compuestos binarios. La nomenclatura de los compuestos moleculares binarios se hace de manera similar a la de los compuestos iónicos binarios:

1. Por lo general, se escribe primero el nombre del elemento que se encuentra más hacia la izquierda en la tabla periódica (más cercano a los metales). Se presenta una excepción a esta regla en el caso de compuestos que contienen oxígeno y cloro, bromo o yodo (cualquier halógeno excepto flúor); en estos casos, el oxígeno se escribe al final.

2. Si ambos elementos se encuentran en el mismo grupo, primero se escribe el que se ubica más abajo, esto es, el que tiene mayor número atómico.

3. Al nombre del segundo elemento se le asigna la terminación -uro.

4. Los prefijos griegos se utilizan para indicar el número de átomos de cada elemento. El prefijo mono- jamás se emplea con el primer elemento. Cuando el prefijo termina en a u o.

$Cl_{2}O$ monoxido de dicloro	$NT_{3}$ Trifluoruro de nitrógeno
$N_{2}O_{4}$ tetróxido de dinitrógeno	$P_{4}S_{1}0$ decasulfuro de tetrafósforo

Algunos ejemplos que ilustran las reglas de nomenclatura

Prefijo	Significado
Mono-	1
Di-	2
Tri-	3
Tetra-	4
Penta-	5
Hexa-	6
Hepta-	7
Octa-	8
Nona-	9
Deca-	10

Hidratos

Los hidratos son compuestos que tienen un número específico de moléculas de agua unidas a ellos. Por ejemplo, en su estado normal, cada unidad de sulfato de cobre (II) tiene cinco moléculas de agua asociadas a él. El nombre sistemático para este compuesto es sulfato de cobre(II) pentahidratado, y su fórmula se escribe como $CuSO_{4}-5H_{2}O$. Las moléculas de agua se pueden eliminar por calentamiento.

$BaCl_{2}-2H_{2}0$	cloruro de bario dihidratado
$LiCl-H_{2}O$	cloruro de litio monohidratado
$MgSO_{4}-7H_{2}O$	sulfato de magnesio heptahidratado
$Sr(NO_{3})_{2}-4H_{2}0$	nitrato de estroncio tetrahidratado