Fundamentos de Química: Materia, Estructura Atómica y Enlaces Químicos

Materia: Es todo aquello que tiene una masa y ocupa un lugar en el espacio. Es cualquier cosa que se puede ver y tocar. Se clasifica en mezclas, elementos y compuestos, así como en átomos y moléculas.

Masa: Es la cantidad de materia que tiene un cuerpo.

Volumen: Es el espacio ocupado por la masa.

Cuerpo: Es una porción limitada de materia.

Mezclas y Sustancias

Mezclas: Pueden ser homogéneas o heterogéneas. Son una combinación de dos o más sustancias en la cual cada sustancia conserva sus propiedades y características.

Sustancia: Es una forma de materia que tiene una composición definida y propiedades características.

Elementos y Compuestos

Elemento: Es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos. Los elementos se representan por símbolos de una o más letras.

Compuestos: Es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. Los compuestos solo pueden separarse en sus componentes puros por medios químicos.

Propiedades de la Materia

Propiedades físicas: Se pueden medir u observar sin que cambie la composición o identidad de la sustancia.

Propiedades químicas: Pueden ser extensivas (dependen de la cantidad de materia) o intensivas (no dependen de la cantidad de materia).

Mediciones

Mediciones: Cinta métrica (longitudes), bureta y pipeta (volumen), balanza (masa).

Sustancia: Es toda porción de materia que comparte determinadas propiedades intensivas.

Elemento: Es un tipo de materia constituido por átomos de la misma clase.

Estructura Atómica

Números cuánticos: Permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir, los estados propios del sistema.

  • n: Número cuántico principal.
  • l: Número cuántico del momento angular orbital.
  • m: Número cuántico magnético.
  • s: Número cuántico del spin electrónico.

Orbitales Atómicos: Es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad de encontrar al electrón.

Diagrama Orbital: Explica el enlace químico en las moléculas en términos de la teoría del orbital molecular.

Configuración electrónica: Es la manera en la cual los electrones se estructuran o se modifican en un átomo o molécula.

Moléculas: Es un agregado de por lo menos dos átomos en una colocación definitiva que se mantienen unidos a través de fuerzas (enlaces químicos).

Ley de Proust: Muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción de masa.

Iones

Iones: Un ion es un átomo o un grupo de átomos que tienen una carga neta positiva o negativa.

La pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo neutro forma un catión (ion con carga positiva).

Anión: Es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el número de electrones.

Enlaces Químicos

Enlace químico: Es la fuerza que mantiene unidos a grupos de dos o más átomos iguales o distintos, formando sustancias simples poliatómicas o sustancias compuestas. Los átomos ganan, pierden o comparten electrones hasta conseguir la configuración de un gas noble.

Enlace iónico: Se da entre elementos de electronegatividad muy diferente. Se produce una cesión de electrones del elemento menos electronegativo al más electronegativo, formando iones positivos (metales) y negativos (no metales).

Estructura de Lewis: Ejemplo: 2Ca + O2 > 2CaO

Enlace covalente: Los electrones son compartidos por dos átomos. Los compuestos covalentes son aquellos que solo contienen enlaces covalentes. Ejemplo: H + H > H:H

Enlace covalente polar: Los electrones pasan más tiempo alrededor de un átomo que del otro.

Electronegatividad: Es la capacidad de un átomo de atraer hacia sí los electrones de un enlace químico.

Enlace metálico: Se da entre elementos de electronegatividades bajas muy parecidas.

Aleaciones: Se forman de la combinación de un metal más otro metal.

Enlace iónico: Se produce entre elementos que tienen muy diferente electronegatividad (metales y no metales).

Enlace covalente: Se produce entre elementos que tienen alta electronegatividad pero muy parecida (no metal con no metal).

Enlace metálico: Se produce entre elementos que tienen baja electronegatividad y muy parecida (metal con metal).

Interacciones Intermoleculares

Electroestática: La interacción entre átomos cargados.

Van der Waals: Son fuerzas de atracción intermolecular que actúan entre dipolos, sean estos permanentes o inducidos.

Pi por pi: Interacción en la cual un átomo de hidrógeno de un anillo aromático hace contacto con la nube electrónica de otro anillo.

Catión-pi: Interacciones de tipo electrostática que involucran un momento cuadrupolar del anillo aromático con un catión.

Enlace de Hidrógeno: Se produce cuando un átomo de hidrógeno se encuentra entre dos átomos más electronegativos, estableciéndose un vínculo entre ellos.

Efecto Hidrofóbico: (Proporcional a la superficie) Las interacciones hidrofóbicas son producto de las fuerzas que minimizan el contacto de moléculas no polares con moléculas polares.

Fórmulas Químicas

Fórmulas químicas: Son utilizadas para expresar la composición de las moléculas y los compuestos por medio de los símbolos químicos.

Composición: Significa no solo los elementos presentes, sino también la proporción en la cual se combinan los átomos.

Fórmulas moleculares: Indica el número exacto de átomos de cada elemento que está presente en la unidad más pequeña de una sustancia. La fórmula molecular del hidrógeno es H2.

Alótropo: Es una de dos o más formas diferentes de un elemento.

Tres formas del carbono: Diamante, grafito y fulereno.

Reacciones Químicas

Reacción química: Consiste en el cambio de una o más sustancias en otras.

Ecuación química: En una ecuación química se pueden indicar los estados físicos de las sustancias involucradas de la manera siguiente: sólido (s), líquido (l), gaseoso (g).

Tipos de Reacciones

Tipos de reacciones: Reacciones de combinación o síntesis, de descomposición, de sustitución simple o desplazamiento y de doble sustitución. Otras reacciones importantes son las exotérmicas, endotérmicas, de combustión y de neutralización.

Reacciones de combinación o de síntesis: Dos sustancias (elementos o compuestos) se combinan para formar una sola sustancia. Se puede representar de manera general como A + B = C. Ejemplo: 4Al + 3O2 > 2Al2O3

Reacciones de descomposición: Una sola sustancia se descompone para formar dos o más sustancias que pueden ser elementos o compuestos. Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de calor o la adición de energía de algún tipo. Ejemplo: CaCO3 > CaO + CO2

Reacciones de sustitución o desplazamiento: Una sustancia simple reacciona con otra compuesta, reemplazando a uno de sus componentes. Ejemplo: Fe + CuSO4 > FeSO4 + Cu

Reacciones de doble sustitución: Ocurre cuando hay intercambio de elementos entre dos compuestos diferentes, originando nuevas sustancias. Ejemplo: 3BaCl2 + Fe2(SO4)3 > 3BaSO4 + 2FeCl3

Otros Tipos de Reacciones

Reacciones exotérmicas: Se producen con desprendimiento de calor.

Reacciones endotérmicas: Se producen con la absorción de calor.

Nomenclatura Química

Anhidrido, Hidruro, Óxido:

Si un elemento tiene 4 valencias, se nombra como hipo…oso, oso, ico, per…ico. Con dos valencias, oso, ico. Con tres valencias, hipo…oso, oso, ico.

hipo…oso, oso, ico

COMPUESTO

N. SISTEMÁTICO

N. STOCK

N. TRADICIONAL

SnH2

Dihidruro de estaño

Hidruro de estaño (II)

Hidruro estannoso

SnH4

Tetrahidruro de estaño

Hidruro de estaño (IV)

Hidruro estánnico

PbH4

Tetrahidruro de plomo

Hidruro de plomo (IV)

Hidruro plúmblico

NaH

monohidruro de sodio ó hidruro de sodio

Hidruro de sodio

Hidruro sódico

Hidruro de litio

PbH2

CaH2

Tendencias Periódicas

Carga nuclear efectiva: Aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba en la tabla periódica.

Radio atómico: Disminuye de izquierda a derecha y aumenta de arriba hacia abajo en la tabla periódica.

Radio iónico: Disminuye de izquierda a derecha y aumenta de arriba hacia abajo en la tabla periódica.

Configuración electrónica: s=2, p=6, d=10, f=14. Cationes = metal, aniones = no metal.

Número cuántico principal (n): Indica la energía y la distancia entre el núcleo. Cuanto mayor es n, más lejos está el electrón del núcleo.

Número cuántico del momento angular (l): Expresa la forma de los orbitales y el valor de n.

Nivel o capa: Conjunto de orbitales que tienen el mismo valor de n.

Nivel o subcapa: Orbitales que tienen los mismos valores de n y l.

Número cuántico magnético (m): Describe la orientación del orbital en el espacio.

Gases nobles: Todos son monoatómicos.

Reacciones de Formación de Compuestos

Metal + Hidrógeno > Hidruro metálico

No Metal + Hidrógeno > Hidruro no metálico + H2O > Hidrácido

Metal + Oxígeno > Óxido metálico + H2O > Hidróxido

No Metal + Oxígeno > Óxido ácido o anhídrido + H2O > Oxiácido

Metal + Peroxo > Peróxido

Metal + Ozonido > Ozonido

Metal + No Metal > Sal binaria

Energía de Ionización y Afinidad Electrónica

Energía de ionización: Es la energía necesaria para separar o quitar un electrón de un átomo en su estado fundamental y en fase gaseosa.

Afinidad electrónica: Es el cambio de energía que ocurre cuando un átomo en estado gaseoso acepta un electrón para formar un anión.

Conceptos Adicionales

Materia: Es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio.

Estados de la materia: Sólido, líquido, gaseoso, plasmático.

Alcalinotérreos: Son los del grupo 2A.

Alcalinos: Son los del grupo 1A.

Halógenos: Son los del grupo 7A.

No metales: Oxígeno, carbono, nitrógeno, flúor, azufre, cloro.

Configuración electrónica: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 7s, 7p.

Energía de ionización: Es necesaria para separar o quitar un electrón de un átomo en su estado fundamental.

Afinidad electrónica: Es un cambio de energía que ocurre cuando un átomo en estado gaseoso acepta un electrón para formar un anión.

Valencia: Es una medida de la capacidad de un átomo para unirse a otros átomos.

Número de oxidación: Es el número de electrones ganados o perdidos por un átomo.

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