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FAUBA UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE AGRONOMÍA QUÍMICA GENERAL APLICADA (CARRERAS TÉCNICAS DE FLORICULTURA, JARDINERÍA Y PRODUCCIÓN VEGETAL ORGÁNICA) QUÍMICA GENERAL (PLANIFICACIÓN Y DISEÑO DEL PAISAJE) Primera Parte Cátedra de Química General e Inorgánica Edición 2016 QUÍMICA GENERAL APLICADA 1 Conceptos básicos Cuestionarios Problemas Guía de laboratorio Diana Effron M.Cristina Quinteros Silvia Catán Gabriela Sarti Alejandra de los Ríos Colaboración en la actualización Unidad 1: Josefina Miguez Melisa Castro Eiro QUÍMICA GENERAL APLICADA 2 CONTENIDOS DE LA ASIGNATURA 1- TEORÍA ATÓMICA Y CLASIFICACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS Estructura atómica. Número másico y número atómico. Isótopos. Nociones de configuración electrónica de un átomo. Aplicación a los elementos nitrógeno, oxigeno, fósforo, azufre, hidrógeno, sodio, potasio, calcio y magnesio. Masa atómica relativa y masa molecular relativa. Concepto de mol. Tabla periódica. Períodos y grupos. Grupos principales. Metales (macronutrientes y micronutrientes) y no metales (macronutrientes) 2- UNIONES QUÍMICAS Y FORMULEO Electronegatividad. Concepto e importancia. Clasificación de las uniones químicas. Enlace iónico y enlace covalente. Estructuras de Lewis de compuestos binarios. Fuerzas intermoleculares presentes en compuestos moleculares. Importancia de estos conceptos para la sustancia agua y otras sustancias de interés biológico. Números de oxidación. Escritura de fórmulas y nomenclatura tradicional. Compuestos de sustancias simples y compuestas. Compuestos binarios: óxidos e hidruros covalentes. Hidróxidos y ácidos. Sales. Disociación. Aniones y cationes. Ejemplos de compuestos importantes para las carreras técnicas en cuestión. 3- SOLUCIONES Y ECUACIONES QUÍMICAS Concepto e importancia de las soluciones acuosas de electrolitos. Expresiones de la concentración: % (m/m), % (v/v), %(m/v), Molaridad y ppm. Dilución. Aplicación del concepto de dilución en la preparación de soluciones diluidas a partir de soluciones concentradas. Aplicación al cálculo de volúmenes de soluciones stock necesarios para cubrir los requerimientos del cultivo. Ecuaciones químicas. Significado cuantitativo de las ecuaciones químicas. Estequiometría. Pureza y concepto de rendimiento. EQUILIBRIOS QUÍMICOS Concepto de equilibrio químico. Principio de Le Chatelier. Constantes de Equilibrio. QUÍMICA GENERAL APLICADA 3 Equilibrio ácido-base Concepto de ácidos y bases: Teoría de Arrhenius y Brönsted. Comportamiento ácido-base del agua e importancia en relación con la nutrición vegetal y disponibilidad de nutrientes en el suelo. Comportamiento ácido base del agua. Concepto de pH y pOH. pH de ácidos y bases fuertes. Equilibrio de disociación de de ácidos y bases débiles. Ácidos polipróticos de importancia en los sistemas naturales. Iones presentes en aguas naturales. Parámetros de importancia en el agua de riego. Reacciones de neutralización. Sales utilizadas como fertilizantes. Hidrólisis de sales. Contenido de carbonatos y bicarbonatos en las aguas: alcalinidad. Concepto de soluciones reguladoras de pH. Equilibrio de óxido-reducción Hemireacciones de óxido-reducción (redox). Oxidantes y reductores. Potenciales normales de reducción. Espontaneidad de reacciones redox. Importancia de las reacciones redox en sistemas naturales. DISPERSIONES COLOIDALES Estado coloidal: características y su importancia biológica y en suelos. Soles liófobos y soles liófilos. Adsorción. Carga de las micelas. Propiedades de los sistemas cloidales. Electroforesis y diálisis. BIBLIOGRAFÍA Angelini, M.C. y otros. Temas de Química General. Versión ampliada. Editorial EUDEBA, Segunda edición. Bs. As. 2008 Burriel Martí, F; Lucena Conde, F; Arribas Jimeno, S; Hernández Méndez, J. Química Analítica Cualitativa. Editorial Paraninfo. Madrid. 1998. Chang, R. Química. Editorial Mc. Graw-Hill. México. Décima edición. 2010. DiRisio, C; Roverano, M; Vazquez, I. Química Básica. Editorial Educando. Primera edición 2006. Whitten, KW, Davis, RE, Peck, ML; Stanley, G. Química.. Mc Graw- Hill. Quinta edición. México. 2008. QUÍMICA GENERAL APLICADA 4 Aclaración: los títulos que en el desarrollo de la presente guía de estudios aparecen entre asteriscos* corresponden a temas que se estudiarán dependiendo de la Carrera o contiene información adicional aclaratoria. IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA QUÍMICA Todos los objetos y seres vivos están formados por átomos de distintos elementos químicos. De éstos elementos, 6 constituyen del 95 al 99 % de los tejidos vivos: el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el azufre (S) y el fósforo (P), siendo los más abundantes del planeta. Los elementos químicos presentes en la materia viva reciben el nombre de bioelementos y también se los encuentra en la atmósfera, en el agua y en los suelos. Los animales asimilan estos bioelementos a través de la alimentación y las plantas a través de la absorción desde el suelo. Otros de los elementos que forman parte de los seres vivos son: calcio (Ca), magnesio (Mg), sodio (Na), potasio (K), hierro (Fe), entre otros. La mayoría de los elementos pueden interactuar con átomos de la misma o distinta especie y mantenerse unidos por fuerzas que llamamos enlaces químicos para formar moléculas, por ejemplo: el agua (H2O), la cuál representa el 70% del peso de los seres vivos, el oxígeno (O2) producto de la fotosíntesis realizada por las plantas o el dióxido de carbono (CO2), producto de la respiración de los seres vivos. Los bioelementos mencionados anteriormente forman las llamadas biomoléculas: proteínas, hidratos de carbono, lípidos y ácidos nucleicos (ADN y ARN responsables de la genética de nuestro organismo). La química se hace presente entonces en nuestros cuerpos y en el mundo que nos rodea, siendo imprescindible su conocimiento en cualquier área de las Ciencias Naturales: biología, botánica, edafología, medicina, etc. para comprender y poder interpretar los fenómenos naturales. QUÍMICA GENERAL APLICADA 5 QUÍMICA GENERAL APLICADA 6 ESTRUCTURA ATÓMICA Las propiedades intensivas del agua contenida en una pileta son iguales a las del agua que contiene un vaso, una gota o media gota. Pero, ¿Cuál es la menor partícula de agua que mantiene dichas propiedades? Es la MOLÉCULA. A su vez, la molécula la podemos dividir obteniendo ÁTOMOS. El átomo está formado por: Neutrones (sin carga eléctrica) núcleo Protones (carga eléctrica positiva) Electrones (carga eléctrica: nube extranuclear negativa) El núcleo es extremadamente pequeño con respecto al tamaño total del átomo. Si el núcleo fuese una cabeza de alfiler, el tamaño total del átomo sería una esfera de aproximadamente 100 m. de diámetro. En el núcleo se encuentra prácticamente toda la masa del átomo por lo tanto se considera despreciable la masa del electrón. Partícula CARGA MASA Neutrón Nula 1 uma Protón Positiva 1 uma Electrón Negativa 1/1840 uma donde, umasignifica: “unidad de masa atómica” que definiremos más adelante. En la nube extranuclear los electrones de un átomo se distribuyen en distintos niveles, subniveles y orbitales. El nivel representa la distancia a la cual se encuentra el electrón del núcleo. Como esta distancia determina distintos valores de energía del electrón (cuánto más alejado está del núcleo más energía tiene), podemos decir que existen niveles de energía. La distribución de Vale la pena mencionar que los electrones presentes en el nivel más externo son los que intervienen en las uniones químicas (es decir, la unión entre los átomos). los electrones en los distintos niveles de energía constituye la configuración electrónica del átomo. Se define orbital a la zona del espacio donde es más probable hallar un electrón. QUÍMICA GENERAL APLICADA 7 Número atómico Lo simbolizamos con la letra "Z" y corresponde al número de protones. Por ser el átomo eléctricamente neutro, el número de electrones es igual al número de protones. Si el átomo no es eléctricamente neutro, es decir si presenta mayor o menor número de electrones que de protones, se denomina ion. Los iones pueden ser positivos, en tal caso son llamados cationes o negativos llamados aniones. Número másico Lo simbolizamos con la letra "A". Es igual al número de protones más el número de neutrones que contiene el núcleo. De estos dos conceptos surge que: A - Z = número de neutrones Donde "Z" es un número entero y "A" puede tomar distintos valores para átomos de un mismo elemento, debido a la existencia de ISÓTOPOS, que se definen como átomos de un mismo elemento (igual valor de Z), pero con distinto número de neutrones (distinto valor de A). Por ejemplo: 1 1H 2 1H o 2 1D 3 1H o 3 1T Deuterio Tritio Clasificación periódica La Clasificación Periódica, llamada también Sistema Periódico o Tabla Periódica, puede considerarse como una de las más útiles clasificaciones de la ciencia. El Sistema Periódico está basado en la estructura electrónica (distribución de los electrones en niveles y orbitales) de los átomos, de la que dependen sus propiedades químicas. En la Tabla Periódica se ordenan los elementos en orden creciente de sus números atómicos, de manera tal que quedan agrupados en columnas verticales (grupos) los elementos de propiedades químicas análogas. Cuando el número de electrones externos (también llamados electrones de valencia) del átomo es el mismo, son también muy análogas las propiedades químicas, y los elementos que cumplen esta condición forman una familia o grupo del sistema periódico. Así, por ejemplo, los metales alcalinos, tales como el Li (Z=3), el Na (Z=11), el K (Z=19), etc. tienen todos un electrón en el nivel más externo. Lo mismo ocurre en la familia de los metales alcalino-térreos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra que tienen QUÍMICA GENERAL APLICADA 8 todos dos electrones en el último nivel. Vale la pena mencionar que los electrones presentes en el nivel más externo son los que intervienen en las uniones químicas (es decir, la unión entre los átomos). La existencia de períodos (ordenamientos horizontales) es otra de las características de la clasificación periódica. El número de períodos es igual al número de niveles ocupados con electrones. Hay 7 períodos: cada período comprende a todos los elementos que están entre dos gases raros, nobles o inertes consecutivos. En la tabla períodica actual existen 18 grupos o familias (columnas). También puede considerarse dividida en 8 grupos subdivididos en subgrupos A y B (tabla tradicional). Los 2 primeros grupos: 1 (IA) y 2 (IIA) constituyen los metales llamados Metales alcalinos y alcalino-terreos ( tienen uno o dos electrones externos) El grupo 13 (IIIA) es la Familia del Boro (tienen tres electrones externos). El grupo 14 (IVA) es la Familia del Carbono (tienen cuatro electrones externos).. El grupo 15 (VA) es la Familia del Nitrógeno (tienen cinco electrones externos).. El grupo 16 (VIA) es la Familia del Oxígeno (tienen seis electrones externos). El grupo 17 (VIIA) es la Familia de los Halógenos (tienen siete electrones externos). El grupo 18 (VIIIA) es la Familia de los gases raros, nobles o inertes (tienen ocho electrones externos, excepto el He que tiene dos). Los subgrupos A son los llamados Elementos Representativos y para los mismos, el número de grupo coincide con el número de electrones en el último nivel. Por ejemplo: los elementos del grupo IA (metales alcalinos) tienen como ya vimos un electrón en su último nivel. Además, el número de período al cual pertenece un elemento coincide con el número de niveles de energía que tienen sus átomos. Ejemplo: el elemento Na tiene Z = 11, por lo tanto tiene 11 electrones, ya que se trata de un átomo neutro. Sus electrones se distribuyen en 3 niveles, por este motivo se ubica en la tabla en el período 3. Además, en su último nivel presenta sólo un electrón y por esto se encuentra en el grupo 1 (para mayor detalle consultar ANEXO I) Los subgrupos B son los llamados Elementos de Transición, pertenecientes a los grupos desde el 3 hasta el 12 inclusive. QUÍMICA GENERAL APLICADA 9 Existen también elementos llamados de Transición Interna (Lantánidos o Tierras Raras y Actínidos o Transuránicos). ELEMENTOS DE IMPORTANCIA AGRONÓMICA El suelo proporciona a las plantas factores esenciales para su crecimiento: los nutrientes, el agua y el oxígeno para las raíces. En este sentido, la solución del suelo cumple un papel fundamental, ya que es la porción acuosa del mismo que contiene materia disuelta proveniente de los procesos químicos que ocurren en él y del intercambio con la hidrósfera y la biósfera. Esta solución transporta especies químicas desde y hacia las partículas del suelo y permite un contacto íntimo entre los solutos y las partículas del suelo. Además de proveer agua para el crecimiento de las plantas, es una vía esencial para el intercambio de nutrientes entre las raíces y la parte sólida del suelo. Los componentes inorgánicos disueltos en el suelo están presentes en la mayoría de los casos como iones. Son considerados como nutrientes todos los elementos químicos esenciales para el crecimiento de las plantas. Tres de ellos, C, H y O, son suministrados por el agua (H2O) y el aire (CO2) y no se incluyen en la nutrición mineral. Los 13 restantes, son provistos básicamente por el suelo, y pueden agruparse en 6 macronutrientes, necesarios en grandes cantidades, y 7 micronutrientes, de los que las plantas sólo necesitan trazas. Los macronutrientes en general cumplen funciones estructurales y los micronutrientes enzimáticas. Son macronutrientes: N, P, S, Ca, Mg y K. Son micronutrientes: B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn. Las plantas absorben Na y Cl en cantidad mayor que algunos micronutrientes, debido a su abundancia en el suelo, pero el Na se considera no esencial. Las plantas contienen también cantidades apreciables de Si y Al, pero no son esenciales. El Al en algunos suelos ácidos es absorbido en cantidades tan grandes que pasa a ser tóxico. En los tejidos vegetales se han identificado más de 50 elementos diferentes, si bien la mayoría no son esenciales. Nitrógeno: La sustancia Nitrógeno (N2) es el principal constituyente de la atmósfera. El elemento Nitrógeno (N) forma parte de los aminoácidos de las proteínas presentes en todas las QUÍMICA GENERAL APLICADA 10 membranas celulares de los seres vivos y también constituyen las enzimas (catalizadores biológicos). Además forma parte de la molécula de la clorofila. En muchos suelos, más del 90% del Nitrógeno esta formando parte de sustancias orgánicas comoproducto de la biodegradación de plantas o animales muertos. Se puede eventualmente, hidrolizar a amonio NH 4+ y luego oxidarse a ion nitrato NO 3- por acción de las bacterias del suelo. Algunos grupos de bacterias del suelo son capaces de fijar nitrógeno atmosférico transformándolo en formas asimilables por las plantas, siendo el anión nitrato (NO3 - ) la forma, en general, más habitual. Algunas plantas (como la del arroz) pueden utilizarlo en forma de ion NH4 + , pero otras resultan intoxicadas. La deficiencia de nitrógeno en las plantas produce hojas amarillas por falta de clorofila y reducción del crecimiento de la masa foliar. Fósforo: Es constituyente de los fosfolípidos que forman la membrana plasmática y del ATP (adenina trifosfato), molécula de alto contenido energético (energía química) que se requiere para la mayoría de los procesos biológicos que se llevan a cabo en el interior de las células. Las formas químicas del Fósforo (P) fácilmente asimilable por las plantas son las especies derivadas del anión ortofosfato (PO4 3- ). Para los valores de pH habituales en los suelos las especies predominantes son HPO4 2- y H2PO4 - . La deficiencia de fósforo retrasa la madurez de la planta. Azufre: Está asociado con la síntesis de proteínas. Los cultivos ricos en proteínas como las leguminosas (alfalfa, trébol, soja etc) y particularmente las crucíferas (nabo, coliflor, colza) presentan altos requerimientos de azufre. El azufre es importante en la resistencia de las plantas a las enfermedades. El Azufre (S) es asimilado por las plantas como anión sulfato (SO4 2- ). La deficiencia de dicho elemento da como resultado una inhibición en la síntesis de las proteínas. Existen aminoácidos como la cisteína y la metionina que contienen S en su molécula y que son esenciales para formar ciertas proteínas; la falta de los mismos impide que dichas proteínas sean sintetizadas. Calcio y Magnesio: El calcio (Ca) interviene en el crecimiento de las raíces, se lo requiere para la elongación y división celular. Participa en la permeabilidad de las membranas celulares y en la estabilidad de las mismas. Evita la senescencia de las hojas. El Magnesio (Mg) es constituyente de la molécula de clorofila (todas las partes verdes contienen clorofila). QUÍMICA GENERAL APLICADA 11 También existe en las semillas. Es necesario para la acción de diversas enzimas (por ejemplo las fosfatasas). Potasio: En las plantas es esencial para el crecimiento y la reproducción. Está presente en ellas en cantidades mayores que los otros nutrientes, excepto el nitrógeno. El potasio está asociado con el metabolismo de las plantas, regula el equilibrio osmótico de las células de los seres vivos. Micronutrientes: existen algunos elementos que se encuentran en bajas concentraciones en el suelo llamados micronutrientes u oligoelementos. Son indispensables para la vida de las plantas, pero en muy bajas concentraciones. Su ausencia no permite que la planta complete su ciclo de vida y dichos elementos son específicos ya que no pueden ser reemplazados por otros porque cada uno tiene una función metabólica determinada. Estos elementos son B, Mo, Fe, Cu, Zn, Mn. Algunos son absorbidos por la planta como aniones tal como el B u el Mo y los demás como cationes. El B es el único no metal de los micronutrientes. Tanto su deficiencia como su exceso (o toxicidad) son perjudiciales para las plantas. Algunos elementos pueden ser no esenciales en los vegetales, pero sí para los animales como el Se. Así, por ejemplo, el Cobre (Cu) es de vital importancia ya que participa en la fotosíntesis, respiración y también forma parte de enzimas. Su deficiencia es rara, inhibiendo, si la hubiere, el ciclo reproductivo. La toxicidad produce poca formación de ramas y oscurecimiento de raíces. El Manganeso (Mn) también participa en procesos metabólicos, en la fotosíntesis, en la fotólisis del agua y activa enzimas. Su deficiencia produce clorosis con posterior necrosis en nervaduras y bordes de las hojas. Su toxicidad está asociada a la deficiencia de Fe. El Hierro (Fe) interviene en procesos metabólicos, forma parte de enzimas e interviene en el proceso de formación de la clorofila. Se encuentra en los cloroplastos de las hojas verdes. En suelos bien aireados se oxida con facilidad a Fe 3+ lo que impide su asimilación por las plantas produciendo clorosis. La toxicidad no es común porque aunque abunda en el suelo, la planta no lo toma en exceso (lo mismo ocurre con el Mn). En el caso del Boro (B), su deficiencia acarrea necrosis de tallos y zona meristemática de raíces. Se desintegran o decoloran los tejidos internos y aparece moteado clorótico. La toxicidad produce amarilleo de las hojas. QUÍMICA GENERAL APLICADA 12 Otros elementos: Sodio: aun cuando el sodio no se considera esencial para el crecimiento de las plantas resulta benéfico para algunas de ellas. Tiene importancia especial en relación con los problemas de alcalinidad de los suelos. Silicio: unido al oxígeno y a otros elementos como Al, Fe, Mg, Ca, K forma parte de los minerales primarios más importantes de las rocas (silicatos) y de las arcillas de los suelos (minerales secundarios). Los metales, ya sean macro o micronutrientes, son absorbidos por las plantas en su forma iónica, por ejemplo: K + , Na + , Ca 2+ , Fe 2+ ANEXO I *Distribución de electrones en la nube extranuclear* Números cuánticos. Principio de incertidumbre de Heisenberg "Es imposible conocer simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento (masa.velocidad) de un electrón", por esta razón hablamos de probabilidad de encontrar al electrón en un momento dado y en un lugar dado. Las ecuaciones de la mecánica cuántica nos permiten conocer cuatro números cuánticos que describen los estados de energía posibles para los electrones y, por lo tanto, la probabilidad de hallar a dichos electrones en distintas zonas del espacio alrededor del núcleo. Los números cuánticos son: 1. n = NÚMERO CUÁNTICO PRINCIPAL: está vinculado con el diámetro de la nube de electrones, o sea, la distancia a la cual está el electrón del núcleo. Como esta distancia determina distintos valores de energía del electrón (cuanto más alejado está del núcleo, más energía tiene), podemos decir que existen niveles de energía. Los valores que puede tomar "n" son: 1 hasta infinito (1,2,3,4, ....) El valor de "n"= corresponde a la separación total del electrón (ion). 2. l = NÚMERO CUÁNTICO SECUNDARIO O AZIMUTAL: está vinculado con la forma de la nube y entonces determinar el subnivel. Los valores que pueda tomar “l” son 0 hasta (n - 1). 3. m = NÚMERO CUÁNTICO MAGNÉTICO: está relacionado con la orientación de la nube de electrones frente a un campo magnético exterior. Decimos que determina el orbital (zona del espacio donde es mayor la probabilidad de encontrar un electrón). Los valores que puede tomar “m” son: - l hasta +l incluyendo el cero (0, 1, 2, 3, l). QUÍMICA GENERAL APLICADA 13 4. spin = NÚMERO CUÁNTICO DEL SPIN: determina la dirección de giro del electrón. Puede tomar los valores: +1/2 ó -1/2. RESUMIENDO: n Volumen o tamaño del orbital y energía nivel 1, 2, 3, ....., energía cuantificada l Forma del orbital subnive l 0, 1, ....., (n-1) m orientación en campo magnético orbital 0, 1, ......., l spin Dirección de giro +1/2 ó -1/2 Representación del subnivel s (orbital esférico). Cuando l = 0 m = 0 hay una única orientación del electrón en presencia de un campo magnético exterior, entonces la probabilidad de encontrar al electrón es igual en todas las direcciones yx z Representación del subnivel p (orbital bilobulado) Cuando l = 1, los valores de m son: -1, 0, +1, entonces hay tres orientaciones posibles; existen tres orbitales o zonas de mayor probabilidad de encontrar al electrón. Estos tres orbitales son: px, py y pz. px py pz Y Y Y X X X Z Z Z Las formas de los otros orbitales d y f son más complejas. QUÍMICA GENERAL APLICADA 14 Principio de exclusión de Pauli Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener sus cuatro números cuánticos iguales, al menos deben diferir en su spin (dirección de giro). Por ejemplo: 1s 2 un electrón n=1 l=0 m=0 spin +1/2 un electrón n=1 l=0 m=0 spin -1/2 Regla de máxima multiplicidad de Hund Antes de ocuparse totalmente un orbital (con dos electrones de distinto spin) se semiocupan todos los orbitales de un mismo subnivel. Por ejemplo: N tiene Z=7 1s 2 2s 2 2p 3 2px 2py 2pz Configuración electrónica Es la distribución de los electrones de acuerdo a los valores de los cuatro números cuánticos. Por ejemplo: n = 1 l = 0 (subnivel s) m = 0 spin +1/2 -1/2 1s 2 n = 2 l= 0 (subnivel s) m = 0 spin +1/2 -1/2 2s 2 l= 1 (subnivel p) m = -1 spin +1/2 -1/2 m = 0 spin +1/2 2p 6 -1/2 m= +1 spin +1/2 -1/2 QUÍMICA GENERAL APLICADA 15 n=3 l=0 (subnivel s) m=0 spin +1/2 -1/2 3s 2 l= 1 (subnivel p) m = -1 spin +1/2 -1/2 m = 0 spin +1/2 3p 6 -1/2 m= +1 spin +1/2 -1/2 l=2 (subnivel d) m = -2 spin +1/2 -1/2 m=-1 spin +1/2 -1/2 m=0 spin +1/2 3d 10 -1/2 m=+1 spin +1/2 -1/2 m=+2 spin +1/2 -1/2 Principio de mínima energía Los electrones van ocupando en el átomo los niveles y subniveles de menor energía. La diferencia de energía entre dos niveles es mucho mayor que la diferencia de energía entre dos subniveles del mismo nivel. Por ej: la diferencia entre 1s y 2s es mayor que la que existe entre 2s y 2p. Esta diferencia es muy notable en los primeros niveles, luego va decreciendo de manera tal que a partir de n=3 hay superposición de niveles. La llamada regla de las diagonales es una regla mnemotécnica que permite ubicar dichas superposiciones. 1s Las diagonales, en el esquema, nos indican el orden de llenado de los subniveles con electrones, teniendo en cuenta el principio de mínima energía. 2s 2p Ejemplo: para Pb, Z=82: 3s 3p 3d 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14 5d 10 6p 2 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f 6g 7s 7p Sin embargo, para algunos elementos, su configuración electrónica no concuerda con la que se obtiene aplicando la regla de las diagonales. QUÍMICA GENERAL APLICADA 16 Por ejemplo: para el Cu que tiene Z= 29 CE teórica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9 CE real: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 Leyes periódicas Las propiedades químicas de los elementos y muchas de sus propiedades físicas son una función periódica de sus números atómicos. Algunos ejemplos de estas variaciones periódicas son los números atómicos, radios de los átomos y de los iones, etc. Radio atómico Sabiendo que sólo podemos hablar de la probabilidad de encontrar a un electrón en una zona determinada alrededor del núcleo, no es correcto definir al radio atómico como la distancia desde el núcleo hasta el electrón más alejado. La definición correcta de radio atómico es "la distancia promedio entre dos núcleosde dos átomos de un mismo elemento". En la tabla periódica la variación del radio atómico es la siguiente: En un grupo aumenta hacia abajo (al aumentar Z aumenta n, por lo tanto se van llenando nuevos niveles con electrones y aumenta entonces el radio atómico). En un periodo aumenta de derecha a izquierda (al haber cada vez más protones, estos atraen más electrones, por lo tanto disminuye el radio atómico al aumentar Z). El elemento de mayor radio atómico es el Fr. Energía de ionización La primera energía de ionización es la cantidad de energía necesaria para separar totalmente el electrón más débilmente unido al núcleo de un átomo que se encuentra aislado, en estado gaseoso y en su estado energético fundamental (de menor energía). M(g) + energía M + + 1e Primera energía de ionización M + + energía M 2+ + 1e Segunda energía de ionización M 2+ + energía M 3+ + 1e Tercera energía de ionización En la tabla periódica la energía de ionización varía de la siguiente manera: QUÍMICA GENERAL APLICADA 17 En un grupo aumenta de abajo hacia arriba (al aumentar Z aumenta n y aumenta el efecto pantalla de los electrones, lo que permite sacar al electrón con menor energía). En un período aumenta de izquierda a derecha (al aumentar Z se necesita mayor energía para separar un electrón, porque la tendencia de los elementos de la derecha es atraer electrones para alcanzar la estructura más estable del gas noble más próximo). EJERCICIOS Estructura atómica y tabla periódica UTILIZANDO LA TABLA PERIÓDICA, RESUELVA LOS SIGUIENTES EJERCICIOS 1. De las siguientes proposiciones, señale las que considera correctas: a) El número atómico de un elemento es igual al número de protones del núcleo. b) El número atómico de un elemento coincide con el número de protones del núcleo y es igual para el átomo neutro que para los iones de dicho elemento. c) El número atómico del ion Cl- es igual al del gas noble Ar. d) Todos los isótopos de los átomos de un dado elemento tienen el mismo número de protones. e) Si dos átomos tienen igual número másico pertenecen al mismo elemento 2. a) De los siguientes elementos de importancia biológica y agronómica indicar cuáles son micro o macronutrientes: Cu, N, P, S, Fe, Ca, Mg, Mn y K. b) Escribir la forma iónica en que cada elemento es absorbido por las raíces. 3. Calcule el número de protones, neutrones y electrones que contiene cada uno de los siguientes átomos: 23 35 80 a) Na b) Cl c) Br 11 17 35 4. Sin utilizar tablas complete el siguiente cuadro de valores: ELEMENTO N o MASICO N o ATOMICO N o PROTONES N o NEUTRONES N o ELECT. As 33 42 Mn 55 25 Cu 63 29 Cu 65 Si 28 14 QUÍMICA GENERAL APLICADA 18 5.Calcule qué número de protones, neutrones y electrones tiene cada uno de los iones siguientes: 37 39 32 31 27 a) Cl ¯ b) K + c) S 2¯ d) P 3¯ e) Al 3+ 17 19 16 15 13 6. Indique el número de protones, neutrones y electrones para los siguientes iones: a) O 2¯ b) Mg 2+ 7- Indique la ubicación en la tabla periódica de los siguientes átomos (grupo y periodo), su símbolo químico y determine el número de protones, neutrones y electrones en cada caso: a) 23 X b) 32 Z 11 16 8- Indicar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas y justificar la respuesta a) el ion Na + tiene un protón más que el átomo de Na b) el número de protones del ion Ca 2+ es igual al del átomo de Ca. 9- Para los siguientes átomos, indique la composición del núcleo, el número de niveles de energía y el número de electrones del último nivel. Átomo Grupo período número de masa I IVA 2 12 II IIIA 3 27 III VIIA 2 19 IV IIA 4 40 10- Dado un elemento de número atómico Z=14, indique cuál o cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas: a) es del grupo VIIA b) es un gas noble o inerte c) es un no metal d) es del grupo IVA e) es del período 2 11- El átomo de hidrógeno posee tres isótopos. Indique cuál de ellos posee mayor masa. Justifique. QUÍMICA GENERAL APLICADA 19 UNIONES QUÍMICAS La unión química se define como la fuerza que actúa entre dos o más átomos o iones, con suficiente intensidad como para mantenerlos unidos formando en algunos casos una molécula. Los electrones que se encuentran en el último nivel de energía son los que intervienen en las uniones químicas. En la actualidad sabemos que cuando los átomos o iones se unen, lo hacen adquiriendo una configuración electrónica estable, tendiendo a completar un octeto (8 electrones), según la configuración del gas noble más cercano, excepto los que adquieren la configuración del Helio (He). La electronegatividad es una propiedad muy importante que mide la capacidad relativa que tiene un átomo para atraer los electrones de una unión química. En la tabla periódica varia de la siguiente forma: en un grupo aumenta hacia arriba (al achicarse el átomo la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones es mayor). en un periodo aumenta de izquierda a derecha (al aumentar Z hacia la derecha de la tabla periódica, es mayor la tendencia a atraer electrones para alcanzar la estructura estable). Estas electronegatividades entre los átomos que constituyen la unión pueden ser: 1) Muy diferentes (unión iónica) 2) Similares y bajas (unión metálica) 3) Similares y altas (unión covalente). 1) Unión iónica o electrovalente Se produce entre elementos de muy diferente electronegatividad, por eso es la unión típica entre un metal y un no-metal. Esta diferente electronegatividad lleva a que un átomo ceda electrones (transformándose en catión) y otro átomo reciba a ese electrón (transformándose en un anión). Ej.: un átomo de Na cuyo Z= 11 se encuentra en el grupo IA de la tabla periódica (posee 1 electrón en el último nivel de energía). Si pierde un electrón adquiere la configuración electrónica del gas noble más cercano que es el Ne cuyo Z= 10. QUÍMICA GENERAL APLICADA 20 Un átomo de Cl tiene numero atómico 17, se encuentra en el grupo VIIA (posee 7 electrones en su último nivel de energía). Si toma un electrón adquiere la configuración del gas noble más cercano Ar (Z= 18). Na Na + + e¯ Cl + e¯ Cl¯ Representación de la sustancia formada por medio de su fórmula electrónica o fórmula de Lewis: Na + NaCl: fórmula empírica o mínima 2) Unión metálica Se produce entre elementos de electronegatividades bajas y similares, por eso es la unión típica entre los metales. Como los electrones más externos no están atraídos fuertemente por ninguno de los átomos (todos tienen baja electronegatividad), es como que esos electrones no pertenecen a ningúnátomo sino a toda la red metálica. Por eso se dice que un trozo de metal es un conjunto de iones positivos sumergidos en un mar de electrones móviles. ++++++ - - - - - - +: catión ++++++ -: electrón - - - - - - Los metales se caracterizan por presentar: Conductividad eléctrica alta: los electrones no están atraídos fuertemente por los átomos y se mueven con facilidad. Conductividad térmica alta: en las zonas de alta temperatura, los electrones poseen alta energía cinética. Como se mueven con facilidad van cediendo esa energía cinética a otros electrones para aumentar la agitación y de esa manera van aumentando la temperatura de las zonas mas frías. Elevada maleabilidad y ductilidad: su estructura de cationes y electrones móviles, hace posible que un plano de átomos resbale sobre otro plano permitiendo hacer láminas e hilos. ++++++++ ++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - ++++++++ ++++++++ - - - - - - - - - - - - - - - - QUÍMICA GENERAL APLICADA 21 3) Unión covalente Se produce entre elementos de altas electronegatividades, por eso es la unión característica entre no-metales. Como se trata de elementos muy electronegativos ninguno tiene tendencia a ceder sus electrones, entonces los comparten, formando la unión. Hay dos tipos de uniones covalentes: * Unión covalente común: el par de electrones compartidos provienen de cada átomo. F. de Lewis F. Desarrollada F. Molecular Cl-Cl Cl2 H-Cl HCl O=C=O CO2 H H C H CH4 H Unión covalente dativa o coordinada Se da cuando el par de electrones compartidos proviene de uno solo de los átomos. F. de Lewis F. Desarrollada F. Molecular O S O SO2 O S O SO3 O QUÍMICA GENERAL APLICADA 22 Polaridad del enlace covalente En una unión covalente, excepto que ambos núcleos pertenezcan al mismo elemento, el par electrónico de la unión nunca es igualmente compartido por ambos. Por lo tanto, en la mayoría de los compuestos con uniones covalentes existirá en mayor o menor grado un desplazamiento de la nube electrónica hacia el átomo más electronegativo de la unión. Ej.: Entonces cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones, (uniones covalentes comunes o covalentes dativas), pueden presentarse dos casos: a) Si los átomos tienen igual electronegatividad el par (o pares) de electrones esta igualmente atraído por ambos átomos y se forma una unión covalente pura. b) Si los átomos pertenecen a elementos con distinta electronegatividad. Ej. : ENBr = 2,7 ENH = 2,2 El átomo de bromo, en este ejemplo, atraerá más hacia sí el par de electrones compartido, entonces habrá cerca de él acumulación de cargas negativas. Aparecen, por ende, dos polos y se dice que la molécula es un dipolo: + El mayor o menor carácter dipolar de un enlace depende de la diferencia, entre los valores de electronegatividad de los átomos unidos. Una molécula puede tener enlaces covalentes con carácter polar y sin embargo la molécula puede resultar no polar. Ello depende de la geometría de las moléculas. QUÍMICA GENERAL APLICADA 23 Geometría de las moléculas Las estructuras de Lewis sólo permiten describir las uniones químicas en una representación bidimensional. No da información acerca de la estructura espacial. Conocer la geometría permite predecir algunas de las propiedades de las sustancias, por ejemplo su solubilidad en determinados solventes, punto de ebullición, acción bioquímica, etc. Es importante tener en cuenta que una molécula puede tener enlaces polares como en el caso de nuestro ejemplo (HCl) y la molécula será polar. Pero si una molécula está formada por más de dos átomos la polaridad de la misma dependerá de su geometría. El factor más importante que determina la geometría de una molécula es el número de pares de electrones externos de los átomos involucrados en las uniones.. Dado que ellos se repelen entre sí, se acomodan en el espacio de forma tal que entre ellos exista la mayor distancia posible. Veremos algunos casos de importancia. Ejemplo: molécula de CO2 y de H2O, ambas moléculas con tres átomos cada una, sin embargo la primera tiene geometría lineal mientras que la segunda es angular Otro ejemplo de importancia, lo constituye la geometría tetraédrica que adquieren las moléculas donde participa el elemento C, cuando forma cuatro uniones covalentes simples, como en el caso del metano (CH4), donde a pesar que cada enlace C—H es polar, la molécula es no polar. Otro ejemplo importante lo constituye la estructura piramidal que forma la molécula de amoniaco QUÍMICA GENERAL APLICADA 24 Número de oxidación Cuando un átomo o ion pierde electrones decimos que se oxida. El número de oxidación de un elemento en una especie química dada, es el número de electrones que el átomo de dicho elemento cede o tiende a ceder parcialmente, de acuerdo con su electronegatividad. Cuando un átomo cede electrones, el número de oxidación del elemento es positivo. Ej. : número de oxidación del Na en el Na2O es +1. Cuando un átomo gana electrones, el número de oxidación del elemento es negativo. Ej. : número de oxidación del O en el Na2O es -2. En el caso de los compuestos constituidos compartiendo pares electrónicos (uniones covalentes comunes o dativas), consideramos formalmente, que el átomo que ha ganado los electrones, es el que corresponde al elemento más electronegativo de los dos así unidos. Ej. : en el CO2 número de oxidación del C: +4 número de oxidación del O: -2 ya que el O es más electronegativo que el C. Reglas para asignar números de oxidación 1) el número de oxidación de un elemento en una sustancia simple es cero. Ej. : el número de oxidación del Cl es cero en la sustancia simple Cl2. Ninguno de los dos átomos de Cl tiene mayor tendencia a ganar electrones. 2) El número de oxidación del O es siempre -2, excepto en sus sustancias simples y en sus compuestos con flúor. 3) El número de oxidación del H es siempre +1, excepto en sus sustancias simples y en los hidruros metálicos (-1). QUÍMICA GENERAL APLICADA 25 4) En los iones monoatómicos el número de oxidación del elemento coincide con la carga del ion. Ej. : el número de oxidación del Fe en el ion Fe 2+ es 2+ porque pierde dos electrones. 5) En los ionespoliatómicos y en las unidades elementales neutras, la suma algebraica de los números de oxidación coincide con la carga del ion o unidad elemental neutra. Ej.: en el SO2 de acuerdo con su estructura electrónica, el S tiene numero de oxidación +4 y el O -2. Entonces resulta: +4 + 2 (-2) = 0, entonces la carga es cero. Analizando la estructura electrónica de las distintas sustancias se deducen los números de oxidación posibles para cada elemento. Estos números de oxidación permiten escribir las formulas empíricas en forma rápida y sencilla. FUERZAS INTERMOLECULARES En la naturaleza, las moléculas de agua, sustancia fundamental para la vida y las biomoléculas (proteínas, lípidos y polisacáridos) no actúan independientemente, sino que ejercen interacciones mutuas, estableciéndose entre ellas fuerzas intermoleculares, que suelen ser más débiles que los enlaces covalentes, pero no por ello tienen menor importancia biológica. Estas fuerzas intermoleculares son las que explican las fuerzas que mantienen unidas las moléculas entre sí (fuerzas de cohesión), cuando la sustancia se encuentra en estado sólido y líquido. En un sólido, las moléculas, átomos o iones, según la sustancia de que se trate, vibran alrededor de su posición de equilibrio. Al calentarse una sustancia se aumenta la energía cinética y se mueven las moléculas, átomos o iones a mayor velocidad, hasta que llega un momento que escapan de la red cristalina y se produce la fusión. Por eso la temperatura de fusión de una sustancia (y algo similar, ocurre con su temperatura de ebullición a una presión dada) es una medida de las fuerzas de cohesión. Cuanto mayor sea la intensidad de estas fuerzas, mayor será la temperatura necesaria para vencerlas. QUÍMICA GENERAL APLICADA 26 Ej.: el agua posee punto de fusión y ebullición anormalmente altos (respecto de otras sustancias semejantes) porque las fuerzas intermoleculares presentes son muy intensas. Por lo tanto, además de las uniones iónicas, covalentes y metálica, ya estudiadas, es importante considerar las fuerzas entre moléculas que explican diversas propiedades de las sustancias. Estas fuerzas se explican por la existencia de dipolos, con distintas características: a) Fuerzas entre dipolos permanentes b) Fuerzas por Puente de Hidrógeno c) Fuerzas entre dipolos temporarios a) Fuerzas entre dipolos permanentes Actúan entre moléculas polares, debido a la atracción entre los extremos positivo y negativo de moléculas adyacentes. Cuanto mayor sea el carácter polar de una molécula mayor será la atracción que ejercerá sobre las moléculas vecinas y por lo tanto, mayor será la intensidad de la fuerza intermolecular, lo que determina una mayor temperatura de fusión y de ebullición de la sustancia. b) Fuerzas por Puente de Hidrógeno La fuerza por Puente de Hidrógeno es un tipo de interacción entre dipolos permanentes particularmente fuerte. En este caso, debe cumplirse la condición que el átomo de H este unido covalentemente a un átomo pequeño y muy electronegativo, como F, O o N. QUÍMICA GENERAL APLICADA 27 El átomo de hidrogeno muy pequeño (+) ejerce una fuerte atracción sobre otro átomo electronegativo de una molécula vecina, con radio atómico relativamente pequeño. La unión entre moléculas es así muy fuerte y eso explica el punto de fusión y el punto de ebullición comparativamente alto de sustancias que poseen este tipo de fuerzas intermoleculares como el agua y el fluoruro de hidrogeno. Nota: El símbolo + (densidad) expresa una carga parcial, originada por un desplazamiento de electrones del átomo de Hidrógeno al átomo más electronegativo. c) Fuerza entre dipolos temporarios También existen fuerzas de atracción intermoleculares entre moléculas que no tienen carácter dipolar permanente: Ej. : Ar, N2, Cl2, I2, CO2. Dada la extrema movilidad de los electrones, la nube electrónica de una molécula simétrica puede sufrir desplazamientos y romper su simetría . En determinado momento un desplazamiento de los electrones hacia una zona de la molécula puede originar una cierta carga negativa (-) en una parte de la misma. Esta carga negativa induce otra positiva (+) sobre una molécula vecina. Las atracciones originadas por la formación momentánea de dipolos serán tanto mayores cuanto mayor sea, en general, el número de electrones que posee la molécula correspondiente. Por eso, a lo largo de un grupo de la tabla periódica, se observan las variaciones en los puntos de fusión y puntos de ebullición de sustancias constituídas por moléculas que no tienen carácter dipolar. En general estas fuerzas aumentan con la masa molecular. A temperatura ambiente y presión normal F2 gas Cl2 gas Br2 líquido I2 sólido Resumiendo algunos aspectos importantes de lo visto hasta ahora podemos decir que muchas propiedades físicas de las sustancias puras son determinadas principalmente, por dos factores: La naturaleza de las unidades estructurales (átomos, moléculas o iones) de las cuales se compone la sustancia. La intensidad de las fuerzas (interatómicas, intermoleculares o interiónicas) entre estas partículas. QUÍMICA GENERAL APLICADA 28 EJERCICIOS 1. Dados los siguientes átomos: 37 21 X y Z 17 11 a) Indique a qué grupo y periodo pertenecen los elementos correspondientes. b) Represente la fórmula de Lewis del compuesto que dichos elementos forman e indique qué tipo de unión se origina. c) Escriba la fórmula empírica de dicho compuesto. Respuesta: a) elemento grupo periodo X 7 3 Z 1 3 b) unión iónica c) ZX 2. Aplique el enunciado del problema anterior a los átomos: 39 32 X y Z 19 16 Respuesta: a) elemento grupo periodo X 1 4 Z 6 3 b) unión iónica c) X2Z 3. Aplique el enunciado del problema 1 a los átomos: 31 24 X y Z 15 12 Respuesta: a) elemento grupo periodo X 5 3 Z 2 3 b) unión iónica c) Z3X2 4. Representando los átomos con los electrones del ultimo nivel, o sea utilizando fórmulas de Lewis, esquematice la estructura electrónica de las moléculas de las sustancias simples: a) hidrógeno, b) bromo y c) nitrógeno. QUÍMICA GENERAL APLICADA 29 5- Indique el tipo de uniones que presentan las fórmulas de las siguientes sustancias, escriba las fórmulas de Lewis y fórmulas desarrollada (sólo cuando corresponda): a) Mg0, b) C02, c) S02, d) NaCl, e) CH4, f) Ca0, g) KCl, h) H2S, i) Cl2, j) CaI2 6- Represente con fórmulas de Lewis (o la estructura electrónica) las sustancias que a continuación se indican y escriba sus fórmulas empíricas: a) cloruro de potasio b) óxido de magnesio c) cloruro de magnesio b) fluoruro de aluminio c) cloruro ferroso o cloruro de hierro II d) cloruro de sodio e) yodo f) agua g) dióxido de carbono 7- Escriba las fórmulas desarrolladas de las sustancias mencionadas en el ejercicio anterior siempre que no presenten uniones iónicas. 8-Dadas las sustancias: NaCl, H2O, HCly Cl2, indicar para c/u. justificando sus respuestas: a) Tipo de unión química que presenta cada una. b) Qué sustancias presentan uniones polares en sus moléculas. c) Qué sustancias presentan moléculas polares. d) ¿Qué tipo de fuerzas intermoleculares (cuando corresponda) presentan las sustancias indicadas? 9-Dé un ejemplo de una sustancia que presente unión puente de hidrógeno, explique por qué presenta ese tipo de unión. 10- Se tiene un compuesto formado por el elemento X (que pertenece al Grupo 17 o VII A y está ubicado en el segundo período) y por el elemento Y que pertenece al Grupo IA y está ubicado en el tercer período. a) Indique el tipo de unión química del compuesto que pueden formar entre sí y escriba la estructura de Lewis del compuesto correspondiente. QUÍMICA GENERAL APLICADA 30 b) ¿Qué unión formará el elemento X con el hidrógeno? Escriba la estructura de Lewis e indique justificando su respuesta qué tipo de fuerza intermolecular hay entre las moléculas de este último compuesto? 11- Dé las fórmulas de Lewis y desarrollada de los siguientes compuestos: a) H2O b) HCl c) NH3 Indique las uniones químicas y las fuerzas intermoleculares que están presentes en dichos compuestos. QUÍMICA GENERAL APLICADA 31 FORMULEO Y NOMENCLATURA ACLARACION: sólo trabajaremos con la nomenclatuta tradicional que es la más ampliamente usada en todos los ámbitos. Las otras nomenclaturas que se indican son sólo a título informativo 1. ÓXIDOS Son compuestos binarios formados por un metal (Me) o un no metal (No Me) unido a oxígeno. Para escribir su fórmula, debe tenerse en cuenta los números de oxidación correspondientes. a) Óxidos de Me: óxidos BÁSICOS Se nombran como óxidos del metal correspondiente. Ejemplo: FÓRMULA NOMENCLATURA Li2O óxido de litio CaO óxido de calcio Cuando existe más de un número de oxidación para el metal, se nombra de la siguiente forma: FÓRMULA NOMENCLATURA MODERNA NOMENCLATURA TRADICIONAL FeO óxido de hierro (II) óxido ferroso Fe2O3 óxido de hierro (III) óxido férrico La nomenclatura tradicional, aún vigente, establece que si el metal tiene dos números de oxidación posibles, se le da la terminación oso cuando actúa con la menor, e ico para el mayor. La nomenclatura moderna utiliza el número de stock, que es un número romano, entre paréntesis, que indica el número de oxidación del Me. Otra alternativa de la nomenclatura moderna permite nombrarlos indicando la cantidad de átomos de oxígeno presentes. Ejemplo: trióxido de hierro. También admite trióxido de dihierro. b) Óxidos de No Me: óxidos ÁCIDOS Para nombrarlos según la nomenclatura tradicional se indican la cantidad de átomos de oxígeno. Según la nomenclatura moderna pueden usarse los números de stock. Ejemplo QUÍMICA GENERAL APLICADA 32 FÓRMULA NOMENCLATURA TRADICIONAL NOMENCLATURA MODERNA SO2 dióxido de azufre óxido de azufre (IV) SO3 trióxido de azufre óxido de azufre(VI) 2-HIDRUROS: Son compuestos binarios formados por algunos metales o no metales, unidos a hidrógeno. *Hidrógeno con Me: hidruros metálicos* En éstos el número de oxidación del hidrógeno es –1. Se nombran como hidruro del metal correspondiente. Ejemplo: FÓRMULA NOMENCLATURA CaH2 hidruro de calcio Para escribir la fórmula se hace como con los óxidos, teniendo en cuenta los respectivos números de oxidación. Hidrógeno con No Me: hidruros covalentes En estos casos el número de oxidación del hidrógeno es +1. Lo forman algunos No Me (citaremos el S, F, Cl, Br, I). Se nombran .......uro de hidrógeno. Ejemplos: FÓRMULA NOMENCLATURA HCl cloruro de hidrógeno H2S sulfuro de hidrógeno El nitrógeno forma el NH3, que lo mencionamos aparte porque para nombrarlo no se usa la nomenclatura mencionada. Se lo llama amoníaco. 3-HIDRÓXIDOS O BASES Son sustancias ternarias que se caracterizan porque contienen iones hidróxidos unido en forma iónica, habitualmente, a cationes metálicos. Pueden obtenerse formalmente por reacción entre un óxido básico y agua. Ion hidróxido: OH ¯ (anión poliatómico) QUÍMICA GENERAL APLICADA 33 Se los nombra como hidróxido del Me correspondiente, usando numerales de stock o la terminación oso o ico, cuando dicho metal presenta más de un número de oxidación posible. La fórmula se escribe colocando tantos iones hidróxidos como indique el número de oxidación del metal. En la fórmula el metal se coloca a la izquierda. FÓRMULA NOMENCLATURA TRADICIONAL NOMENCLATURA MODERNA NaOH hidróxido de sodio hidróxido de sodio Ca(OH)2 hidróxido de calcio hidróxido de calcio Fe(OH)2 hidróxido ferroso hidróxido de hierro (II) Fe(OH)3 hidróxido férrico hidróxido de hierro (III) CuOH hidróxido cuproso hidróxido de cobre (I) Cu(OH)2 hidróxido cúprico hidróxido de cobre (II) Aclaración: dentro de las bases o hidróxidos debemos incluir al amoníaco (NH3)ya que sus soluciones acuosas presentan caracter básico. Los hidróxidos o bases, al igual que otros compuestos que veremos, al ser disueltos en agua sufren el proceso de disociación electrolítica que para este caso se puede representar: NaOH Na + + OH ¯ Fe(OH)2 Fe 2+ + 2 OH ¯ 4-OXOÁCIDOS Son sustancias ternarias, formadas por H, No Me y O. Provienen formalmente de la reacción del óxido ácido de dicho No Me con agua. Para escribir directamente la fórmula de dicho oxoácido, teniendo en cuenta los números de oxidación, (es decir, sin recurrir a reacciones representadas por ecuaciones) se puede proceder de la siguiente manera, tomando como ejemplo el oxoácido del azufre con número de oxidación +4: Los números de oxidación son H: +1 S: +4 O: -2 O sea +1 +4 -2 +1 +4 -2 H S O y la fórmula sería Ha S Ob donde habrá que encontrar el valor del subíndice del O (b) y el del H(a). QUÍMICA GENERAL APLICADA 34 Para esto se aplica la siguiente regla empírica: se procede primero a encontrar el valor de b que debe ser siempre el menor número que multiplicado por 2 (que es el valor del n de oxidación del O) dé un número mayor que el valor del n de oxidación del No Me (en este caso, mayor que 4) (no puede ser igual ni menor, pues, debe cumplirse que (+1) a + (+4) + (-2) b = 0 y además a debe ser 0 ya que todo oxoácido contiene hidrógeno). Evidentemente, en este caso, b debe ser 3. Luego, por cálculo se encuentra el valor de a, que, en este caso, resulta que debe ser 2. La fórmula resulta: H2SO3 Para nombrarlos se procede de la siguiente manera: si el No Me tiene un sólo número de oxidación posible, se le da la terminación ico. Ejemplo: ácido carbónico. si el No Me tiene dos posibles números de oxidación, cuando actúa con el menor se le da la terminación oso y cuando actúa con el mayor la terminación es ico. En el ejemplo visto, la f'órmula corresponde al ácido sulfuroso (en donde el número de oxidación del S es +4) mientras que el compuesto dondeel S actúa con el número de oxidación del S es +6 se llama ácido sulfúrico y su fórmula es H2SO4. para el caso del cloro, bromo, iodo del grupo 17 (VII A) que tienen cuatro posibles números de oxidación para la formación de óxidos ácidos y por lo tanto de oxoácidos, se les da la terminación oso a los dos primeros e ico a los otros dos. Para diferenciar a los dos primeros entre sí, al que tiene menor n de oxidación se antepone el prefijo hipo y para diferenciar a los otros dos, al que tiene mayor n de oxidación se antepone el prefijo per. Ejemplos HClO ácido hipocloroso HClO2 ácido cloroso HClO3 ácido clórico HClO4 ácido perclórico Para algunos no metales existe más de un oxoácido con el mismo número de oxidación, que provienen formalmente de la reacción del óxido con más de una molécula de agua. Mencionaremos algunos casos, veremos cómo se escriben sus fórmulas y cómo se nombran. QUÍMICA GENERAL APLICADA 35 En estos casos, en la nomenclatura tradicional, al oxoácido que proviene de la reacción del óxido con una molécula de agua (o que, en forma directa, hemos visto anteriormente cómo podemos escribir la fórmula a partir de los números de oxidación aplicando la regla), se le antepone el prefijo meta. Para el silicio, por ejemplo, con el mismo número de oxidación (+4) existen dos oxoácidos. Entonces el que tiene por fórmula H2SiO3 (que ha salido de aplicar la regla vista anteriormente), se llama ácido metasilícico en lugar de silícico, porque existe otro que tiene un átomo de oxígeno más en su fórmula (y simultáneamente deberá tener también dos átomos más de hidrógeno) cuya fórmula será H4SiO4 y se lo denomina ácido ortosilícico. Generalizando, si primero obtenemos la fórmula del oxoácido que lleva el prefijo meta, agregando 1 átomo de O (y 2 de H) obtenemos la fórmula del que lleva el prefijo ortoconocemos la fórmula del podemos obtener la fórmula del oxoácido que lleve el prefijo orto. Esta situación se da en elementos que pertenecen a los grupos IIIA, IVA y VA . Para el caso del fósforo (del grupo VA o 15), existen tres oxoácidos para cada número de oxidación posible (+3, +5). Veremos los casos con número de oxidación +5. Uno es el que s e puede escribir aplicando la regla vista anteriormente, y como hay otros, se lo denomina según la nomenclatura tradicional ácido metafosfórico (HPO3). Existe otro que lleva un átomo más de oxígeno en la molécula, entonces para conservar la neutralidad, debe llevar tres átomos de hidrógeno y se lo llama ácido ortofosfórico (H3PO4). Proviene formalmente de la reacción del pentóxido de fósforo con tres moléculas de agua (P2O5 + 3 H2O 2 H3PO4). El tercero que existe, lleva dos átomos de no metal y la cantidad la cantidad de átomos de oxígeno debe ser impar ya que los dos átomos de fósforo están unidos a través de uno de oxígeno. Adaptando la regla anterior para este caso, tendremos que el subíndice del O debe ser el menor número impar que al multiplicarlo por 2 este producto sea mayor que 10 (que surge de 25) Entonces se puede deducir la fórmula +1 +5 -2 H P2 O H P2 O7 H4 P2 O7 H4P2O7 +1 +10 -14 +4 +10 -14 Se lo llama ácido difosfórico. Proviene formalmente de la siguiente ecuación: P2O5 + 2 H2O H4P2O7 QUÍMICA GENERAL APLICADA 36 Estos ejemplos vistos para el P vale también para los demás elementos del grupo VA. Para el fósforo con número de oxidación +3 existe también tres oxoácidos, que no veremos ahora. Para nombrar el que responde a la fórmula HPO2 se la debe anteponer el prefijo meta, es decir se lo llama ácido metafosforoso. Para el azufre, existe además del H2SO4 otro oxoácido con número de oxidación +6 y para escribir la fórmula se procede igual que con el ácido difosfórico, resultando la fórmula: H2S2O7 ácido disulfúrico Aclaración: toda la nomenclatura vista para oxoácidos es la tradicional; daremos más adelante ejemplos con la nomenclatura moderna. 5-HIDRÁCIDOS: Dentro de los ácidos podemos distinguir dos grandes grupos: los oxoácidos tratados hasta ahora y los hidrácidos. Se denomina hidrácidos a ciertos hidruros covalentes cuyas soluciones acuosas tienen carácter ácido(ver Hidruros) Por ejemplo una solución acuosa de cloruro de hidrógeno tiene caracter ácido y puede llamarse ácido clorhídrico. DISOCIACIÓN DE ÁCIDOS Los ácidos (oxoácidos e hidrácidos), al igual que las bases, sufren el proceso de disociación electrolítica. Se caracterizan porque en solución acuosa dan lugar a la formación de iones hidrógeno (H + ) hidratados o sea de iones H3O + . Este ion se lo llama oxonio (o hidronio). En forma elemental podemos representar este proceso de la siguiente forma: HCl H + + Cl ¯ HNO3 H + + NO3 ¯ H2SO4 2H + + SO4 2¯ Cuando el ácido tiene más de un hidrógeno como el último caso, puede disociarse en etapas: H2SO4 H + + HSO4¯ HSO4¯ - H + + SO4 2 ¯ QUÍMICA GENERAL APLICADA 37 Los aniones que surgen de dicha disociación se designan de acuerdo al nombre del ácido del cual provienen, modificando la terminación del mismo: TERMINACIÓN ÁCIDO TERMINACIÓN ANIÓN (nomenclatura tradicional) hídrico uro oso ito ico ato A continuación daremos algunos ejemplos usando la nomenclatura moderna. Para ésta se nombra siempre a compuesto usando la terminación ato, tanto para el oxoácido como para el anión, en cualquiera de sus estados de oxidación, diferenciandolos a través de los numerales de stock. FÓRMULA NOMENCLATURA TRADICIONAL NOMENCLATURA MODERNA H2SO3 ácido sulfuroso sulfato (IV) de hidrógeno Otra alternativa: Trioxosulfato de hidrógeno SO3 2 ¯¯ Sulfito sulfato (IV) Otra alternativa: Trioxosulfato H2SO4 ácido sulfúrico sulfato (VI)de hidrógeno Otra alternativa: Tetraoxosulfato de hidrógeno SO4 2 ¯¯ Sulfato sulfato (VI) Otra alternativa: Tetraoxosulfato H2CO3 ácido carbónico carbonato de hidrógeno Otra alternativa: Trioxocarbonato de hidrógeno CO3 2 ¯¯ Carbonato carbonato (IV)Otra alternativa: trioxocarbonato QUÍMICA GENERAL APLICADA 38 Vamos a mencionar algunos aniones, que usaremos a lo largo del curso, semejantes a otros ya vistos. El Cr, del grupo VI B (grupo 6), forma dos aniones semejantes al sulfato (SO4 2¯ ) y al disulfato (S2O7 2¯ ) que son el cromato CrO4 2¯ y dicromato Cr2O7 2¯ . El Mn del grupo VII B (grupo 7) forma un anión semejante al perclorato (ClO4¯) que es el permanganato (MnO4 ¯ ). 6-SALES: Las sales son sustancias cuya fórmula empírica está formada por el anión de un ácido y un catión generalmente metálico, en una proporción dada de acuerdo a sus cargas respectivas y que tienen la propiedad que en solución acuosa, al igual que los ácidos y bases sufren el proceso de disociación electrolítica originando el anión y el catión correspondientes. Pueden obtenerse formalmente por reacción entre el ácido y base correspondiente dando como productos agua y la sal. QUÍMICA GENERAL APLICADA 39 Ejemplos de ecuaciones de disociación de sales: KCl K + + Cl¯ Na2SO4 2 Na + + SO4 2 ¯ FeBr2 Fe 2+ + 2 Br¯ FeBr3 Fe 3+ + 3 Br¯ Fe2(SO4)3 2 Fe 3+ + 3 SO4 2 ¯ Mencionaremos a continuación algunos ejemplos de sales ácidas, donde el anión proviene de la disociación parcial o en etapas del ácido correspondiente NaHSO4 sulfato ácido de sodio (o hidrógeno sulfato (VI) de sodio). Ecuación de disociación: NaHSO4 Na + + HSO4¯ (sulfato ácido o hidrógeno sulfato (VI) o hidrógeno tetraoxosulfato) KH2PO4 Se la llama ortofosfato diácido de potasio (o dihidrógeno fosfato (V) de potasio). K2HPO4 Se la llama ortofosfato monoácido de potasio (o monohidrógeno fosfato de potasio). NH4HSO4 Se la llama sulfato ácido de amonio (o hidrógeno sulfato (VI) de amonio). FÓRMULA NOMENCLATURA TRADICIONAL NOMENCLATURA MODERNA KCl cloruro de potasio cloruro de potasio Na2SO4 sulfato de sodio sulfato (VI) de sodio Otra alternativa: tetraoxosulfato de sodio FeBr2 bromuro ferroso bromuro de hierro (II) FeBr3 bromuro férrico bromuro de hierro (III) Fe2(SO4)3 sulfato férrico sulfato (VI) de hierro (III) Otra alternativa: Tetraoxosulfato de hierro (III) QUÍMICA GENERAL APLICADA 40 *IONES*: CATIONES MONOATÓMICOS CATION Nº OXIDACIÓN GRUPO NOMENCLATURA DE STOCK NOMENCLATURA TRADICIONAL DEL ION Li + Na + K + +1 +1 +1 1 Litio Sodio Potasio Litio Sodio Potasio Mg 2+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ +2 +2 +2 +2 2 Magnesio Calcio Estroncio Bario Magnesio Calcio Estroncio Bario Cr 2+ Cr 3+ +2 +3 6 Cromo (II) Cromo (III) Cromoso Crómico Mn 2+ Mn 3+ +2 +3 7 Manganeso (II) Manganeso (III) Manganoso Mangánico Fe 2+ Fe 3+ +2 +3 8 Hierro (II) Hierro (III) Ferroso Férrico Co 2+ Co 3+ +2 +3 9 Cobalto (II) Cobalto (III) Cobaltoso Cobáltico Ni 2+ Ni 3+ +2 +3 10 Níquel (II) Níquel (III) Niqueloso Niquélico Cu + Cu 2+ Ag + Au + Au 3+ +1 +2 +1 +1 +3 11 Cobre (I) Cobre (II) Plata Oro (I) Oro (III) Cuproso Cúprico Plata Auroso Aurico Zn 2+ Cd 2+ Hg 2+ Hg + +2 +2 +2 +1 12 Cinc (o zinc) Cadmio Mercúrico (II) Mercúrico (I) Cinc (o zinc) Cadmio Mercúrico Mercurioso Al 3+ +3 13 Aluminio Aluminio Sn 2+ Sn 4+ Pb 2+ Pb 4+ +2 +4 +2 +4 14 Estaño (II) Estaño (IV) Plomo (II) Plomo (IV) Estannoso Estánnico Plumboso Plúmbico Bi 3+ +3 15 Bismuto (III) ANIONES MONOATÓMICOS ANION Nº OXIDACIÓN GRUPO NOMENCLATURA STOCK NOMENCLATURA TRADICIONAL DEL ION H - -1 1 Hidruro Hidruro O 2- S 2- -2 -2 16 Óxido Sulfuro Óxido (excepción a la terminación uro) Sulfuro F - Cl - Br - I - -1 -1 -1 -1 17 Fluoruro Cloruro Bromuro Ioduro Fluoruro Cloruro Bromuro Ioduro QUÍMICA GENERAL APLICADA 41 CATIONES POLIATÓMICOS H3O + oxonio (hidronio: nombre usual) NH4 + amonio ANIONES POLIATÓMICOS QUE DERIVAN DE OXOÁCIDOS ANION Nº OXIDACIÓN GRUPO NOMENCLATURA STOCK NOMENCLATURA TRADICIONAL DEL ION ClO - ClO2 - ClO3 - ClO4 - +1 +3 +5 +7 17 Clorato (I) Clorato (III) Clorato (V) Clorato (VII) Hipoclorito Clorito semejantes Clorato para Br y I Perclorato SO3 2- SO4 2- S2O7 2- +4 +6 +6 16 Sulfato (IV) Sulfato (VI) Disulfato (VI) Sulfito Sulfato semejantes Disulfato para Cr (grupo 6) NO2 - NO3 - PO2 - PO3 - P2O7 4- PO4 3- +3 +5 +3 +5 +5 +5 15 Nitrato (III) Nitrato (V) Metafosfato (III) Metafosfato (V) Difosfato (V) Ortofosfato (V) Nitrito Nitrato Metafosfito Metafosfato semejante Difosfato con As, Sb, Bi Ortofosfato CO3 2- SiO3 2- SiO4 4- +4 +4 +4 14 Carbonato Metasilicato Ortosilicato Carbonato Metasilicato semejante Ortosilicato para Sn, Pb AlO2 - AlO3 3- +3 +3 13 Metaluminato Ortoaluminato Metaluminato Ortoaluminato ZnO2 2- +2 12 Cincato (o zincato) Cincato (o zincato) *Sólo se mencionan los cationes y aniones de uso más frecuente QUÍMICA GENERAL APLICADA 42 EJERCICIOS Aclaración: se ejercitará con sustancias que involucren elementos agronómicamente importantes 1- Escriba la fórmula de las siguientes sustancias: a) Óxido de calcio b) Óxido de sodio c) Óxido férrico d) Óxido de magnesio e) Óxido ferroso f) Óxido de cúprico g) Óxido de potasio 2. Escriba la fórmula de las siguientes sustancias: a) Hidróxido cúprico b) Hidróxido de magnesio c) Hidróxido ferroso d) Hidróxido de calcio e) Hidróxido férrico f) Hidróxido de sodio 3. Escriba la fórmula de los siguientes oxoácidos: a) Ácido nítrico b) Ácido perclórico c) Ácido ortofosfórico d) Ácido sulfúrico e) Ácido nitroso f) Ácido ¨bromoso g) Ácido sulfuroso h) Ácido hipocloroso 4. Escriba la fórmula de las siguientes sales: a) Cloruro de potasio b) Nitrato de sodio c) Sulfito de litio QUÍMICA GENERAL APLICADA 43 d) Nitrito de calcio e) Sulfato de potasio f) Hipoclorito de sodio g) Ortofosfato de calcio h) Carbonato de sodio i) Ortofosfato de potasio j) Sulfato cúprico k) Nitrato ferroso l) Bromato de potasio m) Sulfito ácido de potasio n) Ortofosfato diácido de sodio o) Clorato de sodio 5.
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