Elementos y Compuestos

Concepto de Elemento

En química, un elemento es una sustancia simple que no se puede descomponer en partes más pequeñas ni transformarse en otras sustancias. La parte básica de un elemento es un átomo, que contiene protones, neutrones y electrones. Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones.

Concepto de Compuesto

Todo lo que existe en el universo está compuesto por materia. La materia, a su vez, se clasifica en sustancias puras y mezclas. En química, un compuesto químico es una sustancia formada por la combinación de dos o más elementos distintos de la tabla periódica. Los compuestos son representados por una fórmula química. Por ejemplo, el agua (H₂O) está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Un compuesto es una sustancia pura homogénea que resulta de la unión química de dos o más elementos diferentes; por lo tanto, puede experimentar descomposición interna por métodos químicos. A las partes que forman un compuesto se les llaman constituyentes; por ejemplo, los constituyentes del agua son dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

Características de los Elementos y Compuestos

Elementos

• Sustancias puras que no pueden descomponerse en otras más simples.
• A partir de ellas se derivan todas las demás sustancias.
• Están constituidas por un solo tipo de átomos.

Compuestos

• Las partes que los forman pierden sus propiedades.
• Durante su formación hay manifestación de energía.
• La proporción de los constituyentes que forman un compuesto es fija.
• Los constituyentes sólo se pueden separar por medios químicos (electrólisis, fotólisis y calor).

Reacciones Químicas

Concepto de Reacción Química

Es un proceso mediante el cual unas sustancias llamadas reactivos se transforman en otras llamadas productos de la reacción por la reorganización de los átomos, conformando moléculas nuevas. Para ello es necesario que se rompan los enlaces químicos de las moléculas originales y se formen nuevos enlaces en las moléculas de los productos.

Clasificación de las Reacciones Químicas

Existen muchos tipos diferentes de reacciones químicas. Una reacción química ocurre cuando, a partir de ciertas sustancias, se producen otras nuevas de características diferentes a las originales; por lo tanto, es un fenómeno químico. La aparición de estas nuevas sustancias se puede detectar a través de:

• Un cambio de color en el conjunto.
• El desprendimiento de un gas.
• La producción de un precipitado.
• La emisión de energía.

Las reacciones químicas se clasifican en:

• Síntesis o combinación.
• Análisis o descomposición.
• Simple sustitución o simple desplazamiento.
• Doble sustitución o doble desplazamiento.

A su vez, pueden ser endergónicas o exotérmicas.

Definición de Cambio Químico

Es un proceso que modifica la estructura interna de la materia y los enlaces de las moléculas de una o más sustancias. Un cambio implica una alteración, modificación o transformación de las propiedades de las sustancias según su composición. Las reacciones químicas son cambios químicos que se representan simbólicamente por medio de ecuaciones químicas.

Enlace Químico y Energía de Activación

Un enlace químico es la unión de dos o más átomos con el fin de alcanzar mayor estabilidad. Los átomos se unen entre sí por medio de fuerzas de atracción a nivel de los electrones de valencia. Las fuerzas existentes entre los diferentes enlaces son las que mantienen unidos a los átomos para formar moléculas.

La energía de activación es la energía necesaria para que se lleven a cabo ciertas reacciones químicas. Para que una colisión entre moléculas vaya seguida de una reacción química, debe haber una distribución de energía, de manera que haya energía suficiente en ciertos enlaces clave que deben romperse. Una reacción química ocurre cuando los enlaces químicos se rompen y se forman, y los átomos se intercambian para producir especies químicamente diferentes.

Una molécula es un conjunto de átomos (de un mismo elemento químico o de muchos diferentes) que están organizados e interrelacionados mediante enlaces químicos.

Teoría Atómica y Modelos Atómicos

Teoría Atómica de Dalton

La teoría atómica de Dalton se basa en los siguientes postulados:

• Cada elemento químico se compone de partículas diminutas indivisibles llamadas átomos.
• En todos los procesos químicos, los átomos de un elemento permanecen sin cambio.
• Los átomos de cada elemento tienen masa y propiedades iguales, pero son distintos en masa y propiedades con respecto a los demás elementos.

• Fenómenos físicos son cambios temporales que afectan solo a las propiedades físicas de la sustancia, como forma o tamaño.

Modelo de Bohr

Bohr propuso un modelo atómico basado en los siguientes postulados:

• Los electrones describen órbitas circulares formando niveles de energía, a los que llamó niveles estacionarios, alrededor del núcleo.
• Los electrones en movimiento en un nivel estacionario no emiten energía.
• Cuando un electrón pasa de una órbita a otra, emite o absorbe un fotón cuya energía es igual a la diferencia de energía de los niveles en los que tiene lugar la transición. Cada nivel de energía queda determinado por medio del número cuántico n. Si n=1, se tiene el nivel con menor energía (más cercano al núcleo); siguen en orden creciente de energía n=2, n=3, etcétera.

El Agua y sus Propiedades

Acción Disolvente

El agua es el líquido que más sustancias disuelve. Esta propiedad se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógeno, lo que le permite disolverlas cuando interactúan con las moléculas polares del agua, produciendo el fenómeno de solvatación. La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones importantes para los seres vivos: es el medio en donde transcurren la mayoría de las reacciones del metabolismo y el aporte de nutrientes y eliminación de desechos que se realizan a través de sistemas de transporte acuoso.

Fuerzas de Cohesión

Los enlaces covalentes polares hacen que las moléculas del agua se mantengan fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.

Estructura Molecular del Agua

El agua es un ejemplo importante de la complejidad y simplicidad simultáneas de la naturaleza. Su fórmula sencilla (H₂O) proporciona la clave para entender el complejo comportamiento del agua y las soluciones acuosas.

El Aire y sus Componentes

Propiedades del Oxígeno (O₂)

El aire es muy importante para la vida en el planeta porque está constituido de elementos y compuestos esenciales para los seres vivos, como el oxígeno, que constituye cerca de la quinta parte del aire atmosférico terrestre en su forma molecular O₂. En esta forma molecular, el oxígeno es un gas; es un elemento clave de la química orgánica, forma parte del agua (H₂O), de los óxidos y de los seres vivos. Es un elemento muy reactivo y resulta indispensable para la respiración de los seres vivos.

Dióxido de Carbono (CO₂)

El dióxido de carbono (CO₂) es un importante gas que atrapa el calor (gas de efecto invernadero). Se produce en la quema de combustibles fósiles (como carbón, petróleo y gas natural), incendios forestales y procesos naturales como erupciones volcánicas.

Vapor de Agua

El vapor de agua en la atmósfera es muy variable espacial y temporalmente, pero su proporción promedio en un volumen mezclado de aire es considerable, por lo que puede considerarse el tercer gas más abundante en la atmósfera. El agua es imprescindible para la vida, y su presencia en la atmósfera en forma de vapor es clave para regular la temperatura del planeta.

Combustión y Respiración Celular

Reacción Química de Combustión

La combustión es un proceso de combinación de un combustible con oxígeno, usualmente con la liberación de grandes cantidades de calor, a menudo con flama. La reacción química de combustión de un hidrocarburo, en presencia de oxígeno como comburente presente en el aire, genera dióxido de carbono con cierta cantidad de gas de agua y un alto desprendimiento de energía (característica de las reacciones exotérmicas).

Reacciones de Combustión para el Mantenimiento de la Vida

En el cuerpo humano también ocurre una combustión: se realiza en la respiración celular. Mediante este proceso, las células utilizan la energía química contenida en la glucosa de los alimentos para sus funciones. La respiración de las células humanas es aerobia, es decir, requiere de oxígeno para realizarse. En este tipo de respiración, la glucosa (C₆H₁₂O₆) es el combustible, y el oxígeno que entra al cuerpo durante la inspiración es el comburente. En este proceso, las células del organismo humano combinan la glucosa con el oxígeno para generar energía, dióxido de carbono y vapor de agua.

El aire es una mezcla gaseosa de suma importancia para la vida en la Tierra, formada principalmente por oxígeno, nitrógeno, argón y vapor de agua. La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir calor.

Hidrocarburos y Combustibles Fósiles

El carbón es un combustible fósil. Se denominan así a aquellos materiales orgánicos combustibles que se encuentran en la corteza terrestre y se han formado hace mucho tiempo, a partir de la descomposición de plantas en condiciones de presión elevada durante millones de años. La contaminación atmosférica es la presencia que existe en el aire de pequeñas partículas o productos secundarios gaseosos que pueden implicar riesgo, daño o molestia para las personas, plantas y animales que se encuentran expuestas a dicho ambiente. Las principales causas de la contaminación del aire están relacionadas con la quema de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas. La combustión de estas materias primas se produce principalmente en los procesos o en el funcionamiento de los sectores industrial y del transporte por carretera.

Los hidrocarburos son un conjunto de compuestos orgánicos cuyas moléculas están formadas por átomos de carbono e hidrógeno. En función del tipo de hidrocarburo, sus estructuras variarán. En su mayor parte, los hidrocarburos proceden del petróleo, es decir, de materia orgánica en descomposición. Es gracias a ello que están formados por una gran cantidad de carbono e hidrógeno en dosis bastante concentradas.

– Los hidrocarburos acíclicos: hidrocarburos que cuentan con una estructura de cadena de moléculas que no se cierra. Dentro de los acíclicos tenemos los lineales o los ramificados.

En caso de centrarnos en la clasificación por los tipos de enlace, encontraremos los siguientes hidrocarburos:

Los hidrocarburos alifáticos son aquellos que no cuentan con un anillo aromático al no derivar del benceno. Su nombre se debe a que se obtenían a partir de la descomposición de aceites y grasas (en griego, esta palabra se denomina aleiphar). Estos también se dividen en dos tipos: los saturados (con enlaces simples) y los insaturados (con al menos un enlace doble).