Química Revista Unidad 4

414 Colegio Nacional de Matemáticas Unidad 1 Materia Unidad 2 Estructura atómica Unidad 3 Tabla periódica Unidad 4 Enlace químico Unidad 5 Reacciones químicas Objetivo: al término de la unidad, el estudiante identificará en la tabla periódica la simbología, propiedades y clasificación de los elementos químicos. Estructura de la tabla periódica W Símbolos químicos Se entiende por símbolo la forma abreviada de representar en la escritura a los elementos. Los alquimistas medievales usaban símbolos para los elementos, tales como un cuarto creciente d para la plata, símbolo del color plateado de la Luna, o un círculo c para el oro, símbolo del dorado del Sol y de la perfección. Dalton estableció los siguientes símbolos para algunos elementos y compuestos: hidrógeno nitrógeno carbono oxígeno fósforo azufre manganeso sosa potasio barita El sistema actual que utiliza letras como símbolos fue ideado por el químico sueco J.J. Berzelius quien empezó utilizando la primera letra del nombre del elemento como símbolo, pero como existen varios elementos cuyos nombres empiezan con la misma letra, decidió usar dos letras en tales casos. Por ejemplo, carbono (C), calcio (Ca), cloro (Cl) y cobalto (Co). Observa que la primera letra debe ser ma- yúscula y la segunda minúscula, lo que también nos permite identificar a cada elemento en la fórmula de un compuesto, ya que el uso más importante de los símbolos de los elementos es informar sobre la composición de los compuestos químicos.

Guía para el examen global de conocimientos 415 En algunos casos los símbolos se relacionan con los nombres latinos de los elementos. Por ejemplo, los símbolos de la plata (Ag), oro (Au), cobre (Cu), azufre (S) y hierro (Fe) se derivan de los términos latinos argentum, aurum, cuprum, sulphur y ferrum, respectivamente. El símbolo no sólo representa al elemento, sino también al átomo y al peso relativo del átomo. Así, por ejemplo, C no solamente representa al elemento carbono, sino también un átomo de carbono, y el peso atómico relativo al carbono C12. W Tabla periódica Clasifica a los elementos primeramente en orden creciente de sus números atómicos, forma periodos (filas horizontales) y grupos o familias (columnas verticales). 1.00 4 6,94 9,01 10,81 12,01 14,01 16 19 20,18 22,99 24,31 26,98 28,09 30,97 32,07 35,45 39,95 39,1 40,08 44,96 47,87 50,94 52 54,94 55,85 58,93 58,69 63,55 65,39 69,72 72,61 74,92 78,96 79,9 83,8 85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95,94 98 101,1 102,9 106,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121,8 127,6 126,9 131,3 72 Hf 132,9 137,3 175 178,5 180,9 183,8 186,2 190,2 192,2 195,1 197 200,6 204,4 207,2 209 209 210 222 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Rf Db Sa Bh Hs Mt Mv Pl Da Tf Eo Me Nc El On 223 226 262 261 262 266 264 269 268 271 272 277 272 276 279 282 286 288 57 La 138,9 104,1 140,9 144,2 145 150,4 152 157,3 158,9 162,5 164,9 167,3 168,9 173 89 Ac 227 232 231 238 237 244 243 247 247 251 252 257 258 259 h Ley periódica Es la base de la tabla periódica y establece que las propiedades f ísicas y químicas de los elementos tien- den a repetirse de forma sistemática conforme aumenta el número atómico. Los datos que se pueden observar en cada uno de los elementos que forman la tabla periódica, son: 7BMFODJB  /ÞNFSP
BUØNJDP 1FTP
BUØNJDP 4ÓNCPMP
RVÓNJDP  .H   h Familias La tabla periódica se divide en ocho grupos o familias (columnas verticales), que se clasifican con las letras A y B y números romanos, que van del I al VIII.

416 Colegio Nacional de Matemáticas Los elementos que pertenecen a los grupos A se denominan elementos representativos y los per- tenecientes a los grupos B, elementos de transición. Debajo de éstos y pertenecientes al grupo B, se encuentran los lantánidos (de Z = 58 a Z = 71) y a los actínidos (de Z = 89 a Z = 103), también llamados elementos de transición interna. Por medio de la configuración electrónica podemos encontrar el periodo y la familia a la que perte- nece un elemento: el periodo al cual pertenece el elemento está indicado en el último nivel de energía que presenta la configuración electrónica y los electrones de ese último nivel de energía nos indican la familia o grupo. Ejemplo: 9 Be 4 1s22s2 Periodo 2, familia 2 Ejemplo: 24.3 Mg 12 1s22s22p6 3s2 Periodo 3, familia 2 h Elementos representativos Grupo Nombre Elementos IA Metales alcalinos H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr II A Metales alcalino-térreos Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra III A Familia del boro-aluminio, boranos o térreos B, Al, Ga, In, Tl, Tf IV A Familia del carbono o carbonóides C, Si, Ge, Sn, Pb, Eo VA Familia del nitrógeno o nitrogenóides N, P, As, Sb, Bi, Me VI A Familia del oxígeno o calcógenos O, S, Se, Te, Po, Nc VII A Familia de los halógenos F, Cl, Br, I, At, El VIII A Gases nobles, raros o inertes He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, On h Periodos Los periodos indican el número de niveles energéticos que tiene un átomo y observamos siete (1-7) en la tabla: • El primer periodo contiene dos elementos que son el hidrógeno (Z = 1) y el helio (Z = 2). • El segundo periodo comprende a los elementos Li, Be, B, C, N, O, F, Ne; es decir, contiene ocho elementos. • El tercer periodo contiene ocho elementos, que van del sodio (Na) al argón (Ar). • El cuarto periodo, constituido por 18 elementos, inicia con el potasio (K) y finaliza con el criptón (Kr). • El quinto periodo también contiene 18 elementos, del rubidio (Rb) al xenón (Xe). • El sexto periodo está formado por 32 elementos, que van del cesio (Cs) al radón (Rn). Este periodo incluye al grupo de los lantánidos o tierras raras; serie de elementos del lantano (La) al lutecio (Lu). • El séptimo periodo, actualmente completo, consta de 32 elementos, los cuales incluyen del fran- cio (Fr) al oberón (On), y a la serie de los actínidos, del actinio (Ac) al laurencio (Lr).

Guía para el examen global de conocimientos 417 h Metales, no metales y metaloides La tabla periódica también se divide en tres bloques o grupos de gran importancia: metales, metaloides y no metales. Metales Metaloides No Metales Las propiedades de los metales, no metales y metaloides son: Sustancia Propiedad física Propiedad química Metales • Tienen brillo. • En su último nivel de energía tienen No metales • Son maleables, dúctiles y tenaces. de uno a tres electrones. Metaloides • Conducen la electricidad y el calor. • Todos son sólidos menos el Hg, Cs, Fr y Ga, • Se oxidan por pérdida de electrones (electropositivos), por lo que forman que son líquidos a temperatura ambiente. cationes (iones positivos). • Se combinan entre sí y forman aleaciones. • Altos puntos de fusión y de ebullición. • Son agentes reductores. • Alto peso específico. • Por regla general, en su último nivel • No tienen brillo. de energía poseen de cuatro a siete • No son maleables ni dúctiles. electrones. • Malos conductores de la electricidad y el calor. • Son sólidos, gaseosos y líquido el Br. • Se reducen por ganancia de elec- • Puntos de fusión y ebullición bajos. trones (electronegativos), por lo que forman aniones (iones negativos). • B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po. • Sólidos. • Son agentes oxidantes. • Tienen brillo metálico. • Varios de ellos presentan alotropía. • Son semiconductores de la electricidad. • Son malos conductores de calor. • Exhiben propiedades metálicas y no metálicas, dependiendo de las condiciones en las que reaccionan.

418 Colegio Nacional de Matemáticas Propiedades de los elementos (periódicas) La colocación de los elementos dentro de la tabla periódica coincide con su estructura electrónica, lo que resulta en una ventaja porque, por ejemplo, si se conoce la química del sodio, entonces se conoce la del litio, potasio o rubidio, ya que estos elementos se encuentran en el mismo grupo. Estas son algunas de las propiedades que se pueden encontrar en la tabla periódica: • Número atómico (Z). Es el número progresivo de los átomos, ordenados de acuerdo con el nú- mero de cargas positivas que posean en su núcleo, es decir, del número de protones. Nota: el número de electrones siempre es igual al número de protones en un átomo neutro, esto es, si éste no se ha ionizado (perdido electrones). • Valencia. Es la capacidad de combinación de un átomo; depende del número de electrones ubi- cados en el nivel de energía más externo; a éste se le llama capa o nivel de valencia. • Masa atómica (A). Se define como el promedio de las masas atómicas de los isótopos de un elemento y es igual al número de protones más el número de neutrones. • Isótopo. Es la forma en que se puede presentar un elemento con igual número atómico, pero diferente masa atómica porque contiene diferente número de neutrones. • Alótropos. Es la existencia de un elemento en dos o más formas, bajo el mismo estado f ísico de agregación; lo ejemplifican los alótropos del silicio, que son el cuarzo y el ópalo, así como el dia- mante y el grafito lo son para el carbono. • Potencial de ionización (energía de ionización).Se define como la energía necesaria para sepa- rar a un electrón de un átomo que está aislado, en estado gaseoso y en su estado basal de ener- gía. • Electronegatividad. Se llama así a la fuerza de atracción que los átomos de una molécula ejercen para atraer electrones. Características de las familias periódicas h Grupo IA (metales alcalinos) En general son metales blancos de color gris plateado, se pueden cortar con un cuchillo, con densidades muy bajas: el hidrógeno, que es el elemento más abundante en el Universo, constituye a las estre- llas jóvenes en casi 100% y al Sol en 99% (Flores, 2005); el litio se utiliza en la tecnología de baterías, se emplean celdas de litio en submarinos y vehículos impulsados por cohetes; el sodio se emplea en la fabricación de lámparas de vapor de sodio, fabricación de detergentes y refrigerantes; los cloruros y nitratos de potasio se utilizan como fertilizantes, el nitrato para fabricar la pólvora y el cromato en pi- rotecnia; el rubidio se utiliza para naves espaciales y la fabricación de cristales para sistemas de teleco- municación de fibra óptica; el cesio se utiliza en celdas fotoeléctricas, bulbos de radio, lámparas militares de señales infrarrojas y varios aparatos ópticos, del francio no se conocen aplicaciones comer- ciales debido a su escasez e inestabilidad. La mayoría de los metales alcalinos reaccionan agresivamente con el agua y el oxigeno, por tal motivo no se encuentran libres en la naturaleza y se almacenan bajo aceite mineral de queroseno.

Guía para el examen global de conocimientos 419 h Grupo IIA (metales alcalino-térreos) Presentan elevados puntos de fusión y densidades bajas; son menos reactivos que los metales alcalinos. El calcio ocupa el quinto lugar en abundancia, el magnesio se emplea en bombillas fotográficas, el beri- lio se usa para herramientas que no producen chispa. El berilio altera al agua con dificultad; el magnesio a la temperatura de ebullición, los otros metales la descomponen en frío. El estroncio se emplea en juegos pirotécnicos o fuegos artificiales. El carbona- to de bario se emplea en la fabricación de vidrio óptico, en la industria cerámica y como veneno para roedores. El radio es un elemento radiactivo. h Grupo IIIA (boranos) Uno de los rasgos distintivos de este grupo es el tránsito gradual del carácter metaloide a metálico de sus elementos, tanto que al boro se le considera un verdadero metaloide, más af ín al silicio y carbono que a los restantes elementos del grupo. Se oxidan con el oxígeno, pero a diferencia de otros metales, el óxido forma una película en la su- perficie del metal que ahora impide la oxidación. El boro se emplea como suavizante y agente de limpie- za, así como en la pirotecnia. El aluminio es el metal que más abunda en la corteza terrestre, se utiliza para estructuras y pigmentos en pinturas. El galio se usa como semiconductor para computadoras. El indio se emplea en transistores y recubrimientos. El talio se utiliza como raticida, por ser extremada- mente venenoso, para hacer aleaciones y en vidrios ópticos que aumentan el índice de refracción. h Grupo IVA (carbonóides) Este grupo comprende dos no metales, el carbono y el silicio, y cuatro metales, germanio, estaño, plomo y erristeneo. El carbono es el primer elemento, se encuentra presente en algunas sustancias que forman la vida cotidiana del hombre como en el petróleo, las fibras, los medicamentos, etc. El silicio es un metaloide, es el segundo más abundante en la corteza terrestre, no se encuentra libre en la naturaleza, pero com- binado abunda en forma extraordinaria; lo localizamos en la arena de cuarzo que se utiliza en la produc- ción de vidrio y cemento, también se emplea en la manufactura de semiconductores y chips. El germanio se emplea como semiconductor, en la construcción de transistores, diodos, lentes y filtros de aparatos termo-electrónicos. Del estaño se usan sus sales de cloro, conocidas comercialmente como sal de estaño (SnCl2) y sal de pink (Sn(NH4)2Cl2), son utilizadas en tintorería como mordientes (proceso para fijar el color). Todos los compuestos de plomo son venenosos para el ser humano, aunque sean dosis reduci- das, produce envenenamiento crónico (saturnismo). Se utiliza en pinturas, fabricación de cerillos, fue- gos artificiales y en juguetes decorativos. h Grupo VA (nitrogenóides) El nitrógeno constituye 78% de la composición del aire, al igual que el fósforo es fundamental para la vida, en la síntesis de aminoácidos. En forma de amoniaco se utiliza para la fabricación de explosivos. El fósforo se emplea en la fabricación de cerillos y bombas de humo. El arsénico es un metaloide letal para el ser humano y se utiliza como semiconductor. El antimonio es un metaloide quebradizo, escamoso, con lustre metálico, se emplea para aumentar la dureza del plomo que se utiliza en las bate- rías de automóviles y en pigmentos para pinturas, esmaltes cerámicos, etc. El bismuto lo encontramos en aleaciones (aleación de Lipowitz) para fabricar válvulas de seguridad para calderas.

420 Colegio Nacional de Matemáticas h Grupo VIA (calcógenos) El oxígeno es un elemento fundamental para la vida, es un comburente y forma parte de los seres vivos. El azufre es un sólido amarillo, libre en la naturaleza, se usa en la manufactura de llantas y ácido sulfúrico. El selenio se usa para los medidores de luz, para cámaras fotográficas y fotocopiadoras. El teluro se emplea en aleaciones de cobre, hierro y plomo, y particularmente en la fabricación del hierro para proporcionar superficies de mayor duración. Del polonio, su isótopo 210, se usa para producir neutrones en reacciones nucleares. h Grupo VII A (halógenos) El flúor es un gas amarillo que se utiliza en los fluorocarbonos (teflón, refrigerantes, etc.), también para la prevención de caries dental. El cloro es un gas amarillo-verdoso venenoso, en bajas concentraciones se emplea para purificar el agua, en la industria del papel, en blanqueadores y otros productos de con- sumo. El bromo es un líquido de color rojo, venenoso, se utiliza en la producción de sustancias químicas para fotograf ía y colorantes. El yodo o iodo, es un sólido cristalino de color gris que se sublima a tem- peratura ambiente dando un gas violeta, se usa para la elaboración de antisépticos. Del astato no se han encontrado usos específicos, pero se sabe que es intensamente carcinógeno. h Grupo VIIIA (gases nobles, inertes o raros) El helio se utiliza para inflar globos y dirigibles. El neón y el argón se emplean para las bombillas fluo- rescentes y anuncios. El criptón se usa para aumentar la eficiencia y brillantez de bombillas de mano. El xenón se emplea en las lámparas tipo flash usadas en fotograf ía que pueden funcionar millones de veces antes de inutilizarse. El radón se usa en el tratamiento de tejidos malignos como el cáncer por las radia- ciones que emite, ya que se desintegran fácilmente por su gran inestabilidad. h Grupo B (metales de transición) Éstos presentan actividad química muy diversa; el escandio, itrio y lantano son muy activos, se asemejan a los alcalinos; los otros metales no son tan activos y algunos prácticamente no reaccionan. El cobre y la plata pierden lustre lentamente porque se van oxidando, mientras que el oro y el plati- no son inertes a la oxidación. La mayoría de los metales son atacados por los ácidos, liberan hidrógeno y forman sales metálicas, algunas muy coloridas, como las de titanio y zinc, que se utilizan en la elabo- ración de pinturas. Las piedras preciosas deben su color a sales de estos metales, por ejemplo, el rubí tiene sales de cromo y el topacio sales de hierro. Otra propiedad de estos elementos es la de facilitar o retardar la velocidad de una reacción sin combi- narse químicamente con las sustancias reaccionantes o producidas, es decir, actúan como catalizadores. Los metales de transición interna son blandos y maleables, se emplean en piedra para encendedo- res, lámparas de arco de carbono, láseres y agentes colorantes para el vidrio y compuestos rojizos que se emplean para los cinescopios de la televisión. Algunos elementos importantes de este grupo son: • Cobalto: metal de color blanco que se utiliza en la elaboración de aceros especiales debido a su alta resistencia al calor, corrosión y fricción. Se emplea en herramientas de alta velocidad, imanes y motores, en forma de polvo, se usa como pigmento azul para el vidrio. • Cobre: metal de color rojo que se carbonata al aire húmedo y se pone verde. Se emplea princi- palmente como conductor eléctrico, para hacer monedas y aleaciones como el latón y bronce.

Guía para el examen global de conocimientos 421 • Hierro: metal dúctil, maleable, de color gris negruzco. Se oxida al contacto con el aire húmedo, se utiliza en la fabricación de acero, cemento, en la industria, arte y medicina. • Mercurio: metal líquido a temperatura ambiente que se emplea en la fabricación de instrumen- tos de precisión, termómetros, barómetros, amalgamas dentales, armas, en la preparación de cloro, sosa cáustica, medicamentos, insecticidas, etcétera. • Plata: metal de color blanco, su uso tradicional ha sido la acuñación de monedas, pero actual- mente se ha sustituido por aleaciones de cobre-níquel, en la manufactura de joyas y vajillas, en fotograf ía, aparatos eléctricos, aleaciones y soldaduras, entre otras. • Oro: es el patrón monetario internacional. Sus aleaciones se utilizan en joyería y ornamentos, piezas dentales y equipos científicos de laboratorio, entre otros usos. • Uranio: utilizado como combustible nuclear, en las plantas de energía.