Principales funciones químicas y periodicidad

15 de agosto de 2006
Informe de laboratorio Nª2
Identificación de las principales funciones químicas y periodicidad.
Objetivos:
• Identificar las principales funciones químicas experimentalmente.
• Mirar las variaciones periódicas de los elementos a partir de sus propiedades químicas y físicas.
• Observar la coherencia y la información que brinda la organización de la tabla periódica.
Introducción:
Se puede considerar que la historia de los elementos se remonta básicamente desde que el hombre empezó a
cuestionarse acerca de composición de las cosas. Del primero que se tiene registro es de Tales de Mileto en el
siglo VII antes de cristo, quien creía que las cosas estaban hechas de agua y de acuerdo al estado en que se
encontrara formaba las distintas sustancias. Después de Tales, también en Grecia, aparecieron grandes
pensadores como Anaxímenes y Anaximandro que propusieron otros tres elementos constitutivos, los cuales
se sostuvieron por mucho tiempo, el aire, fuego y tierra, pero cada uno como tal, como constituyente
fundamental, como generador de los otros mediante el principio de rarefacción y solidificación; no obstante,
fue hasta el siglo quinto cuando el gran pensador y filosofo Empédocles, reunió todas las teorías antes
propuestas, agregando que todos los cuatro elementos eran complementarios, y eran los cuatro y no uno
solamente los que originan las demás sustancias y son, por lo mismo, la constitución de todas las cosas, no
solamente, diferenciadas por el principio de rarefacción y solidificación, sino por la organización de estas en
cuando a cantidad y las proporciones en las que se encuentra cada elemento.
La teoría de los cuatro elementos constitutivos, duro por varios siglos, aun cuando Aristóteles añadió un
quinto elemento conocido como el éter o la quintaesencia, que formaba las estrellas, aun así seguía afirmando
que la tierra, el fuego, el aire y el agua, eran los elementos que constituían los objetos terrestres.
Hacia el siglo III antes de cristo, después de la muerte de Aristóteles, y gracias a las conquistas de Alejandro
Magno, las ideas filosóficas greco−.romanas, se expandieron por todo el viejo continente, y al mezclarse con
ideologías árabes y españoles, se creo una nueva idea: La alquimia, que platea un conocimiento de la
naturaleza a partir del comportamiento de la misma, de este modo, descubrieron que muchas sustancias,
sometidas a algunos procesos químicos, se transformaban en otras, como cuando se fundían ciertas piedras
con carbón, las piedras se convertían en metales, al calentar arena y caliza se formaba vidrio. Los alquimistas,
además, pensaban que cualquier sustancia podía convertirse o transformarse en oro, el mas valioso y puro de
los metales, ya que sostenían que todas las sustancias estaban hechas de los cuatro elementos. Durante siglos,
los alquimistas, intentaron encontrar una piedra a la que atribuían propiedades maravillosas y mágicas: la
piedra filosofal, que transformaba las sustancias que tocaba en oro.
A pesar de que durante siglos, los alquimistas buscaran una transformación que jamás iba a ser posible, como
la transformación de cualquier sustancia para convertirla en oro, hicieron bastantes descubrimientos en cuanto
a sustancias químicas y compuestos de la naturaleza, descubrieron el antimonio, el bismuto, el zinc, los ácidos
fuertes, las bases o álcalis (palabra que deriva del árabe), la sal y bastantes compuestos químicos.
Solo hasta el siglo XVII, Se dio la primera definición moderna del elemento, y justamente fue esto lo que dio
paso a una nueva ciencia, la química, que se encarga de estudiar la composición, estructura y propiedades de
la materia. Robert Boyle, fue el primero en dar la definición valida de los elementos, y los describió como
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aquellas sustancias que no podían ser descompuestas en otras más simples.
La definición del elemento propuesto por Boyle, fue el fin de las propuestas alquimistas
Conocer las propiedades de los átomos, y en especial su peso, se transformó en la tarea fundamental de la
química y, gracias a las ideas de Avogadro y Cannizaro, durante la primera mitad del siglo XIX, gran parte de
la labor química consistió en determinar os pesos de los átomos y las formulas químicas de muchos
compuestos y gracias a estos procedimientos se iban descubriendo más y más elementos, para la década de
1860 se conocían más de 60 elementos.
La primera organización de estos fue dada por el científico Döbereiner, quien agrupo los elementos hasta
ahora existentes en grupitos de tres en los que los elementos compartían propiedades similares.
Hess en 1849 hizo cuatro grupos de cuatro elementos no metálicos que compartían propiedades similares,
pero no se le encontró gran utilidad ya que incluía solo una pequeña parte de los elementos descubiertos.
Muchos químicos desde entonces intentaron buscar una relación entre las propiedades de los elementos desde
los trabajos de Döbereiner pero fue hasta en 1864 que un químico ingles llamado Newlands, descubrió que al
organizar los elementos en orden creciente por su peso atómico, el octavo elemento tenía propiedades
similares al primero, el noveno al segundo y así sucesivamente, cada ocho elementos, las propiedades se
repetían, lo denominó ley de las octavas. Sin embargo las octavas de Newlands no se cumplían todas las
veces, ya que tras las primeras octavas la ley dejaba de cumplirse.
Cinco años después Mendeleiev ordeno una y otra vez los elementos, dió origen a la tabla periódica, tras la
relación que había dado Dovereinem y las observaciones de Newlands.
Mendeleiev y Meyer ordenaron independientemente, la estructura de los elementos basándose en la
familiaridad, características, comportamiento y según enlaces de valencia de los átomos, con los cuales se
enlazaban entre si para formar moléculas, además de sus pesos atómicos. De esta forma los fue organizando
de en filas por su peso y en columnas por sus propiedades similares y su numero de valencia.
En la tabla de Mendeleiev que contaba con los 63 elementos conocidos quedaron unos espacios vacíos de los
que se atrevió a corregir sus pesos y predecir las propiedades físicas y químicas de los elementos que faltaban.
Esta tabla fue publicada en 1869 y al descubrirse los elementos que faltaban sus características coincidían con
las predicciones de Mendeleiev.
En 1925 la tabla periódica moderna era una progresión según el número atómico, con una nueva columna en
su extremo derecho ocupada por los gases nobles, descubiertos justo antes de iniciarse el siglo XX. Con el
tiempo los elementos se clasificaron también dentro de la tabla periódica en metales alcalinotérreos, tierras
raras, lantánidos, radiactivos, cuyos núcleos se rompen por si mismos, desintegrándose en elementos de vida
mas larga, la mitad de cualquier cantidad existente de un elemento radiactivo se desintegra cada cierto tiempo,
este periodo de tiempo se conoce como vida media. Así todos los elementos conocidos a partir del plomo son
radiactivos. Muchos investigadores se ocupaban en la creación de elementos mas pesados que el uranio
llamados transuránicos.
Marco teórico:
Las Reacciones Químicas:
En el Universo todo está sometido a una evolución permanente. Todo lo que conocemos desde los seres vivos
hasta las montañas o las estrellas, todo se debe a un constante cambio.
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La humanidad ha utilizado desde el principio de su existencia reacciones químicas para producir energía. En
primer lugar mediante la combustión de madera o de carbón, pasando por las que tienen lugar en los motores
de explosión de los coches y llegando hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de
propulsión de las naves espaciales.
Los cambios químicos ocurren mediante la existencia de reacciones químicas, pudiéndose definir una reacción
química como: un proceso en el que unas sustancias se transforman en otras por la reordenación de sus átomos
mediante la ruptura de unos enlaces en los reactivos y la formación de otros nuevos en los productos, estas
reacciones se caracterizan porque hay un cambio en las propiedades del reactivo, además de una variación de
energía que se va manifestando en el transcurso del proceso.
Hay principalmente dos tipos de reacciones químicas las cuales son: orgánicas e inorgánicas; la primera
comprende reacciones de sustitución, eliminación, descomposición, adición, reordenación y
condenación; por su parte las reacciones químicas inorgánicas que son la que en el momento
habláremos comprende acido−base, oxidación−reducción (redox), combustión.
Acido−base: en 1923 Johannes Brönsted y Thomas Lowry enunciaron que una sustancia acida es aquella que
puede donar H+, y definieron la base como una sustancia que puede aceptar protones. Posteriormente Gilbert
Lewis dijo que un acido es una sustancia que puede aceptar un par de electrones y una base es aquella que
puede donar eses par.
Combustión: es la combinación de un cuerpo combustible que tiene la propiedad de arder siempre y cuando
halla un comburente que generalmente es el oxigeno.
Oxidación− reducción (redox): La oxidación es el aumento del número de oxidación de un átomo, por su parte
la reducción provoca una disminución en el número de oxidación de un átomo.
Más tarde los términos oxidación y reducción se aplicaron a procesos donde hay transferencia de electrones,
la sustancia que pierde electrones se oxida y la que gana electrones, se reduce.
Se puede observar que las reacciones químicas son muy importantes para nuestra vida cotidiana, en
fenómenos tales como explosiones y procesos vitales como lo son la alimentación, la respiración, entre otros.
En fenómenos tales como explosiones, en procesos vitales tales como alimentación, respiración etc. Todas las
sustancias que a diario utilizamos son o fueron producto de reacciones químicas
La mayoria de los elements quimicos, estan presentes en nuestro espacio todo el tiempo, sin embargo, a pesar
de estar en un ambiente lleno de moléculas que tan conocidas, la mayoria de nosotros apenas reconocemos
unos pequeños elementos como el oxigeno el oro, el hierro, y algunos metales, sin embargo, hay muchisimos
mas elementos que son incluso mas comunes que los mencionados anteriormente pero al desconocer los usos,
no los identificamos con facilidad, a continuación estan algunos de los elementos quimicos y sus principales
usos industriales y biologicos en algunos casos:
−Sodio: Útil en la manufactura de compuestos como cianuros, azidas, peróxidos, etc.: en síntesis orgánica: en
celdas fotoeléctricas, en lámparas de sodio, extremadamente cáustico para todos los tejidos. El hidróxido de
sodio conocido como soda cáustica se usa para fabricar jabón , rayón y papel, en las refinerias de petroleo y en
la industria textil y del caucho o hule ; el fluoruro de Sodio se utiliza como antiséptico como veneno para ratas
y cucarachas.
−Potasio: Se usa mucho en la síntesis de compuestos inorgánicos de potasio y en síntesis orgánica, se utiliza
en fotografía, grabando y litografía además en la medicina como cedante (KBr). El cromato de potasio
(K2CrO4) y el dicromato de potasio (K2 Cr2O7) son poderosos agentes oxidantes utilizados en fósforos y
fuegos artificiales. El yoduro de Potasio (KI) es un compuesto muy soluble en agua usando en fotod¡grafía
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para preparar emulaciones, y en la medicina para el tratamiento del reuma y de la actividad excesiva de la
tiroides.
−Magnesio: Se emplea en la manufactura de aleaciones livianas: en la fabricación de instrumentos de
precisión: espejos ópticos: en pirotécnica en metalurgia como agente desoxidante y desolfurizante; junto con
el zinc en baterías secas en flash luminosos e intensos: en recubrimiento de titanio.
−Calcio: En metalurgia, como desoxidante para el cobre, en aleaciones con cerio para elaborar piedras de
encendedores. En la manufactura de tubos de vací9o electrónicos. El acetato de calcio es empleado en la
manufactura de ácido acético, acetona y colorantes; útil en el procesado de pieles: como lubricante como
estabilizador de alimentos: como inhibidor de la corrosión.
−Carbono: Como absorbente de gases (carbón activcado). El diamante, en joyería y como herramienta de
corte fino, el dióxido de carbono se emplea en la elaboración de bebidas gaseosas y para extinguir incendios,
elemento costituyente de todos los compuestos orgánicos, desde los hidrocarburos alifáticos más simples
hasta la molécula de ADN, responsable de la herencia.
−Plomo: Se utiliza como antidetonante para la gasolina, con él se fabrican cámaras para la producción de
ácido sulfúrico, y para recubrir cables eléctricos.
−Fósforo: el fosfato de aluminio se utiliza como antiácido (gástrico), en la fabricación de cerillas, forma parte
de los huesos en forma de fosfato de calcio Ca3 (PO4)2
−Azufre: Se utiliza como insecticida para tratar plagas que atacan la vid, en la fabricación de cerillas y en
pólvora negra y para fabricar aislantes eléctricos.
−Yodo: En forma de tintura de yodo, como antiséptico, para el tratamiento de heridas o la esterilización del
agua potable. Asimismo los compuestos de yodo se utilizan para tratar ciertas condiciones de la tiroides y del
corazón, como suplemento dietético (en la forma de sales yodatadas) y en los medios de contraste para los
rayos X., en la fotografía, en donde el yoduro de plata es uno de los constituyentes de las emulsiones para
películas fotográficas rápidas, y en la industria de los tintes, en donde los tintes a base de yodo se producen
para el procesamiento de alimentos y para la fotografía en colores.
−Zinc: para proteger la superficie de los metales con una capa de cristales de fosfato de zinc, otorgando
máxima resistencia a la corrosión, en la elaboración de baterías industriales, el óxido de zinc (ZnO) es
utilizado en la fabricación de, pinturas, productos a base de caucho, plásticos, tintas de impresión, productos
textiles, cosméticos, jabones y productos farmacéuticos (el zinc esta naturalmente presente en nuestro
organismo y representa el segundo oligoelemento después del hierro). El sulfuro de zinc se utiliza
principalmente en la confección de cuadrantes luminosos, pantallas de televisores, pinturas (poco tóxicas) y
luces fluorescentes.
−Mercurio: en la fabricación y reparación de instrumentos científicos como termómetros, barómetros, bombas
de vacío., en la producción electrolítica de hidróxidos a partir de cloruros de sodio y potasio. También en la
síntesis de soda cáustica y ácido acético glacial., en la fabricación de tubos fluorescentes, tubos de rayos x,
lámparas de mercurio, rectificadores, termostatos automáticos y otros relacionados, en la extracción de Oro
(Au ) y Plata (Ag) por formación de amalgamas., para la fabricación de juguetes electrónicos y químicos para
niños.
Los isótopos:
Los isótopos, se definen como unas de las (dos o más) variedades de un átomo que tienen el mismo número
atómico, pero que se diferencian en su número de neutrones, es decir en su número masico. Por tanto, a pesar
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de ser el mismo elemento, tienen una cantidad de neutrones desigual y por lo tanto la masa varía en gran
cantidad.
−Azufre (S): El azufre ocupa el lugar 16 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre, y se
encuentra ampliamente distribuido tanto en estado libre como combinado con otros elementos. En estado libre
lo encontramos mezclado con rocas de yeso, y rocas volcánicas. Y combinado, se encuentra en varios sulfuros
metálicos, como el sulfuro de Plomo (PbS), sulfuro de Zinc (ZnS), entre otros; aunque también puede hallarse
en sulfatos, como el sulfato de Bario (BaSO4), Sulfato de Estroncio (SrSO4) y el yeso (CaSO4·2H2O).
Además podemos encontrarlos en moléculas de diferentes sustancias, en el huevo, la mostaza, etc.
A nivel de estructura, se conocen 18 isótopos de Azufre, cuatro de los cuales son estables: S−32 (95,02%),
S−33 (0,75%), S−34 (4,21%) y S−36 (0,02%), pues los restantes tienen un periodo de vida muy corto.
−Yodo (I): En la naturaleza ocupa el puesto 62 en abundancia, a pesar de que en el agua de mar, en las rocas y
en los suelos se extienda su variedad de compuestos, más que todo para formar yoduros y haluros
(compuestos químicos formados por un halógeno y un metal). En menor grado, se extrae también de
organismos marinos, algunas como algas, que concentran yodo en sus tejidos.
Su estructura esta hecha de 37 isótopos, solo uno de ellos estable, (yodo−127). Sin embargo los otros isótopos
radioactivos, han tenido uso, a pesar de no ser estables, por ejemplo el Yodo−131 se ha empleado en el
tratamiento de cáncer y otras patologías de la glándula tiroidea. Así mismo como el Yodo−129 ha sido
utilizado como trazador en el agua superficial y como indicador de la dispersión de residuos en el medio
ambiente.
−Cobre (Cu): En el 25 lugar de abundancia en la corteza terrestre el cobre se encuentra en estado natural,
aunque a menudo, contiene pequeños porcentajes de plata, bismuto y plomo. También aparece combinado con
el oxígeno, formando el óxido cuproso y cúprico, aunque quizá los minerales de cobre más conocidos son los
sulfuros mixtos de hierro y cobre, como la pirita de cobre (mineral), y el sulfuro.
Se han caracterizado hasta el momento 25 isótopos de Cobre, de los cuales 2 permanecen estables Cu−63 y
Cu−65, y 3 medio estables el Cu−67, Cu−64 y Cu−61, con periodos de desintegración de 61,83 horas, 12,70
horas y 3,333 horas respectivamente.
−Zinc (Zn): Ocupa el lugar 24 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. No existe libre en la
naturaleza, sino que se encuentra como óxido de cinc (ZnO) en el mineral cincita y como silicato de Zinc
(2ZnO·SiO2H2O) en la hemimorfita. También se encuentra como carbonato de Zinc (ZnCO3) en el mineral
esmitsonita, como óxido mixto de Hierro y Zinc (Zn(FeO2)O2) en la franklinita, y como sulfuro de Zinc
(ZnS) en la esfalerita.
El Zinc existente en la naturaleza está formado por cuatro isótopos estables, Zn−64 (48,6%), Zn−66, Zn−67, y
Zn−68. Se han caracterizado 22 radioisótopos de los que los más estables son Zn−65 y Zn−72 con periodos de
desintegración de 244,26 días y 46,5 horas respectivamente; el resto de isótopos radioactivos tienen periodos
de desintegración menores que 14 horas y la mayoría menores que un segundo
Análisis de resultados:
Para el análisis de este laboratorio, vamos a comparar de manera amplia y generalizada, las reacciones de los
elementos químicos con varios de sus números de oxidación, para así, poder detectar el movimiento de las
propiedades periódicas así como las características comunes en cuanto a la capacidad de reacción en los
elementos de un mismo grupo y/o periodo.
En una reacción de sustitución, en la que un elemento ya sea metálico o no metálico, reemplaza a un Ion
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hidrogenion (H+) de una molécula de agua (H2O) se presenta efervescencia, que es la forma de liberación de
un gas, así como de energía, de una reacción en un medio liquido; la energía liberada proviene del
rompimiento del enlace existente entre el Ion hidrogenión y el Ion hidroxilo.
Las reacciones que produjeron luz, fueron en las que el reactivo tenía poca electronegatividad, es decir era un
metal (electropositivo), ya que la energía que necesita el Ion hidroxilo, para poder arrancarle el electrón de
valencia a estos elementos, es mucho menor a la necesaria para mantener la unión con el Ion hidrogenion, por
esto mismo, la energía restante, que no fue utilizada en la reacción, es liberada en forma de energía lumínica.
Lo mismo pasa con la energía liberada en la efervescencia así como cuando se produce calor. Por esta razón
es que aunque el potasio, siendo menos electronegativo que el sodio, produce una llama menos energética ya
que libera mas energía en forma de calor. En el caso de una oxidación, en la que es utilizado el fuego como el
catalizador, gracias a que la energía proporcionada por la llama, es en la mayoría de los casos, mas que
suficiente de la necesitada en la reacción (energía utilizada por el oxigeno para atraer el elemento a oxidar),
por lo que la sobrante es liberada en forma de calor; o en el caso de que sea demasiada esta energía, también
puede ser liberada en forma de luz como lo fue en el caso del aluminio, donde al ser su electronegatividad
relativamente baja, no es necesaria mucha energía para que el oxigeno, pueda hacer enlace con el aluminio. El
fenómeno antes explicado, podría parecer un contradicción ante el hecho que al oxidarse el calcio que es un
elemento incluso más electropositivo que el aluminio, no haya emitido luz, esto se debe a que el calcio utiliza
parte de la energía sobrante para hacer una reorganización compleja molecularmente suficiente para producir
un cambio físico tan drástico como el pasar de un color plateado opaco, a uno blanco rojizo.
Un elemento se sublima cuando la energía proporcionada a este es mayor a la suma del calor latente de fusión,
y del calor latente de vaporización o energía, ya que si esta es menor, no será suficiente para que la vibración
que van adquiriendo los átomos del elemento venza las fuerzas de cohesión entre estos, y escapen en forma de
moléculas gaseosas. Tal es el caso del yodo, el cual al tener puntos de fusión y ebullición tan bajos, necesita
de muy poca energía para vencer las fuerzas de cohesión, que es suministrada sin fácilmente por la llama a la
que se expuso en el experimento.
El yodo al tener un peso atómico tan alto, al vibrar libera más energía que la que liberaría un elemento con un
peso atómico promedio, la cual se manifiesta en una llama muy energética color violeta.
−Grupo VII−A
La Familia de los halógenos, es la familia compuesta por cinco elementos químicamente activos: el Flúor,
cloro, bromo, yodo y Astato. El nombre halógeno, o formador de sal, se refiere a la propiedad que tienen cada
uno de los elementos de la familia de formar sales, un ejemplo claro de esto, es la capacidad de reacción que
tienen con el sodio (metal reactivo del grupo I−A) ya que forman una sal parecida al cloruro de sodio (sal
común). Los números de oxidación de estos elementos, coincide e −1, ya que tienen 7 electrones de valencia,
sin embargo pueden reaccionar con +/−1, 3, 5,7; como en el caso del cloro. Todos los halógenos, tienen una
configuración electrónica de Ns2p5.
Peso
atomico
Electroneg.
elemento símbolo
Z
valencia
densidad p. ebullicion p. fusion
De acuerdo a la siguiente tabla de datos, podemos percibir como a medida que se desciende en la tabla
periódica, los puntos de ebullición y de fusión aumentan, y por lo mismo se hacen más reactivos, de esta
forma el Astato, es el elemento mas reactivo del grupo.
El radio, volumen y, por lo tanto, el tamaño atómico, son propiedades periódicas que aumentan conforme el
numero atómico aumenta, es decir que el elemento de menor tamaño atómico es el Flúor y el de mayor
tamaño atómico es el Astato. (Ver grafica No 1). El tamaño atómico, depende de la electronegatividad del
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elemento, y son inversamente proporcionales, ya que mientras más fuerza ejerza el núcleo a los electrones, o
mas electronegatividad tenga, mas cerca de este van a estar las partículas, es decir el radio volumen y tamaño
atómicos van a ser menores; es por esto, que al aumentar Z en el grupo, la electronegatividad varia en función
inversa a tamaño atómico, por lo tanto disminuye (ver grafica No 2).
−Periodo 6:
En la tabla periódica, el grupo de átomos pertenecientes a un mismo periodo, se caracterizan por que su
número de niveles energéticos es el mismo, y cada nivel está dividido en distintos sub−niveles, que se van
llenando a medida que aumenta el número atómico. Al periodo seis, pertenecen el Cesio, Bario, Talio, Plomo,
Bismuto, Polonio, Astato, Radón, elementos que tienen en común el número de niveles, por lo que sus
electrones de valencia se encuentran en el nivel número seis independientemente de los sub−niveles
contenidos en este.
En el periodo, también hay una variación continua de las propiedades periódicas, por ejemplo, la
electronegatividad se mueve de izquierda a derecha y según aumenta el número atómico, es decir que el
elemento menos electronegativo de este periodo es el litio, y conforme aumenta Z, la electronegatividad de los
elementos asciende. (ver grafica No 3)
Al igual que en las familias, el tamaño atómico, ligado a este el radio y volumen atómicos, y la
electronegatividad, son inversamente proporcionales y, por lo tanto, se mueven de manera inversa en la tabla
periódica, por esto el tamaño, radio y volumen atómicos se mueven de derecha a izquierda, siendo esta ves el
litio el de mayor tamaño atómico, (por lo mismo que es el de menor electronegatividad). (Ver grafica No 4).
Podemos notar, que en el inicio del periodo seis, esa el elemento menos electronegativo de la tabla periódica,
y en el grupo VII, se encuentra el de mayor electronegatividad de la tabla periódica: el flúor.
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