Partículas
Los átomos son
las partes más pequeñas de un elemento (como el carbono,
el hierro o
el oxígeno).
Todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma estructura electrónica
(responsable ésta de la mayor parte de las características químicas), y pueden
diferir en la cantidad de neutrones (isótopos).
Las moléculasson
las partes más pequeñas de una sustancia (como
el azúcar),
y se componen de átomos enlazados entre sí. Si tienen carga eléctrica, tanto átomos como moléculas se
llaman iones: cationes si
son positivos, aniones si son negativos.
El mol se usa como
contador de unidades, como la docena (12) o el millar (1000), y equivale a . Se dice que 12 gramos de
carbono o un gramo de hidrógeno o 56 gramos de hierro contienen aproximadamente
un mol de
átomos (la masa molar de un elemento está basada en
la masa de un mol de dicho elemento). Se dice entonces que el mol es una unidad
de cambio. El mol tiene relación directa con el número de Avogadro. El número de Avogadro fue
estimado para el átomo de carbono por el químico y físico italiano Carlo Amedeo
Avogadro, Conde de Quarequa e di Cerreto. Este valor, expuesto
anteriormente, equivale al número de partículas presentes en 1 mol de dicha
sustancia:
1 mol de glucosa equivale
a moléculas de glucosa. 1 mol
de uranio equivale
a átomos de uranio.
Dentro de los átomos pueden
existir un núcleo atómico y uno o más electrones.
Los electrones son muy importantes para las propiedades y las reacciones
químicas. Dentro del núcleo se encuentran los neutrones y los protones. Los
electrones se encuentran alrededor del núcleo. También se dice que el átomo es
la unidad básica de la materia con características propias. Está formado por un
núcleo, donde se encuentran protones.
De los
átomos a las moléculas
Los enlaces son
las uniones entre átomos para formar moléculas. Siempre que existe una molécula
es porque ésta es más estable que los átomos que la forman por separado. A la diferencia de energía entre
estos dos estados se le denomina energía de enlace.
Los átomos se combinan en
proporciones fijas para generar moléculas concretas. Por ejemplo, dos átomos de hidrógeno se
combinan con uno de oxígeno para dar una molécula de agua. Esta proporción fija
se conoce como estequiometría. Sin embargo, el mismo número y
tipo de átomos puede combinarse de diferente forma dando lugar a sustancias
isómeras.46
Orbitales
Para una descripción y
comprensión detalladas de las reacciones químicas y de las propiedades físicas
de las diferentes sustancias, es muy útil su descripción a través deorbitales, con ayuda de la química cuántica.
Un orbital atómico es una función matemática que describe la
disposición de uno o dos electrones en un átomo. Un orbital
molecular es el análogo en las moléculas.
En la teoría del orbital molecular la
formación del enlace covalente se debe a una combinación
matemática de orbitales atómicos (funciones de
onda) que forman orbitales moleculares, llamados así por que
pertenecen a toda la molécula y no a un átomo individual. Así como un orbital
atómico (sea híbrido o no) describe una región del espacio que rodea a un átomo
donde es probable que se encuentre un electrón, un orbital molecular describe
también una región del espacio en una molécula donde es más factible que se
hallen los electrones.
Al igual que un orbital atómico,
un orbital molecular tiene un tamaño, una forma y una energía específicos. Por
ejemplo, en la molécula de hidrógeno molecular se combinan dos orbitales
atómicos, ocupado cada uno por un electrón. Hay dos formas en que puede
presentarse la combinación de orbitales: aditiva y substractiva. La combinación
aditiva produce la formación de un orbital molecular que tiene menor energía y
que presenta una forma casi ovalada, mientras que la combinación substractiva
conduce a la formación de un orbital molecular con mayor energía y que genera
un nodo entre los núcleos.
De los
orbitales a las sustancias
Los
orbitales son funciones matemáticas para describir procesos físicos: un orbital
únicamente existe en el sentido matemático, como pueden existir una suma, una parábola o una raíz cuadrada.
Los átomos y las moléculas son también idealizaciones y simplificaciones: un
átomo y una molécula solo existen en el vacío, y en sentido estricto una molécula solo
se descompone en átomos si se rompen todos sus enlaces.
En el "mundo real"
únicamente existen los materiales y las sustancias.
Si se confunden los objetos reales con los modelos teóricos que se usan para
describirlos, es fácil caer en falacias lógicas.
Disoluciones
En agua, y en otros disolventes (como
la acetona o
el alcohol),
es posible disolver sustancias, de forma que quedan disgregadas en
las moléculas o en los iones que las componen (las disoluciones son transparentes).
Cuando se supera cierto límite, llamado solubilidad,
la sustancia ya no se disuelve, y queda, bien comoprecipitado en
el fondo del recipiente, bien como suspensión, flotando en pequeñas
partículas (las suspensiones son opacas o traslúcidas).
Se denomina concentración a
la medida de la cantidad de soluto por unidad de cantidad de disolvente.
Medida de
la concentración
La concentración de una
disolución se puede expresar de diferentes formas, en función de la unidad
empleada para determinar las cantidades de soluto y disolvente. Las más usuales
son:
- g/l (gramos por litro) razón soluto/disolvente o soluto/disolución, dependiendo de la convención
- % p/p (concentración porcentual en peso) razón soluto/disolución
- % V/V (concentración porcentual en volumen) razón soluto/disolución
- M (molaridad) razón soluto/disolución
- N (normalidad) razón soluto/disolución
- m (molalidad) razón soluto/disolvente
- x (fracción molar)
- ppm (partes por millón) razón soluto/disolución
Acidez
El pH es una escala logarítmica para
describir la acidez de
una disolución acuosa. Los ácidos,
como por ejemplo el zumo de limón y
el vinagre,
tienen un pH bajo (inferior a 7). Las bases,
como la sosa o el bicarbonato de sodio, tienen un pH alto
(superior a 7).
El pH se calcula mediante la
siguiente ecuación:
donde es la actividad de iones hidrógeno en
la solución, la que en soluciones diluidas es numéricamente igual a la
molaridad de iones hidrógeno que cede el ácido a la
solución.
- una solución neutral (agua ultra pura) tiene un pH de 7, lo que implica una concentración de iones hidrógeno de 10-7 M;
- una solución ácida (por ejemplo, de ácido sulfúrico)tiene un pH < 7, es decir, la concentración de iones hidrógeno es mayor que 10-7 M;
- una solución básica (por ejemplo, de hidróxido de potasio) tiene un pH > 7, o sea que la concentración de iones hidrógeno es menor que 10-7 M.
Formulación
y nomenclatura
La IUPAC, un organismo
internacional, mantiene unas reglas para la formulación y nomenclatura química. De esta forma, es
posible referirse a los compuestos químicos de forma sistemática y sin
equívocos.
Mediante el uso de fórmulas químicas es posible también
expresar de forma sistemática las reacciones químicas, en forma de ecuación química.
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