CATEDRÁTICO: Q.F.B. BERNICE CANO SARRELANGUE MATERIA: QUIMICA TRABAJO: LOS ELEMENTOS QUÍMICOS; CLASIFICACIÓN PERIÓDICA, PROPIEDADES ATÓMICAS E IMPACTO ECONÓMICO Y AMBIENTAL. CARRERA: ING. SISTEMAS COMPUTACIONALES NOMBRE DEL ALUMNO: MAUS MARTINEZ ALDAIR DE JESUS CUATRIMESTRE: 3° TRES VALLES, VERACRUZ. 31 DE MARZO DEL 2020 INDICE INTRODUCCIÓN GLOSARIO UNIDAD 1. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS; CLASIFICACIÓN PERIÓDICA, PROPIEDADES ATÓMICAS E IMPACTO ECONÓMICO Y AMBIENTAL. CARACTERÍSTICAS DE LA CLASIFICACIÓN PERIÓDICA MODERNA DE LOS ELEMENTOS. ................................................................................................................. 1 Periodo. ....................................................................................................................... 2 Grupo. .......................................................................................................................... 3 Grupos “A” .............................................................................................................. 3 Grupos “B” .............................................................................................................. 4 PROPIEDADES ATÓMICAS Y SU VARIACIÓN PERIÓDICA.................................. 6 Carga Nuclear Efectiva. ............................................................................................ 6 Radio Atómico............................................................................................................ 9 Radio Iónico.............................................................................................................. 10 Energía De Ionización ............................................................................................. 13 Afinidad Electrónica................................................................................................ 14 Electronegatividad. ................................................................................................. 15 DEFINICIONES. ............................................................................................................ 16 Carga Nuclear Efectiva:.......................................................................................... 16 Tamaño Atómico: .................................................................................................... 18 Energía De Ionización:............................................................................................ 19 Afinidad Electromagnética: ................................................................................... 21 Numero De Oxidación: ........................................................................................... 22 Electronegatividad: ................................................................................................. 24 CONCLUSIÓN. ............................................................................................................. 26 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. ......................................................................... 27 INTRODUCCIÓN La química es la ciencia que estudia la composición, estructura, y propiedades de la materia, así como los cambios que esta experimenta durante reacciones químicas. Históricamente la química moderna es la evolución de la alquimia tras la revolución química. Las primeras experiencias del hombre como químico se dieron con la utilización del fuego en la transformación de la materia. La obtención de hierro a partir del mineral y de vidrio a partir de arena son claros ejemplos. Poco a poco el hombre se dio cuenta de que otras sustancias también tienen este poder de transformación. Se dedicó un gran empeño en buscar una sustancia que transformara un metal en oro, lo que llevó a la creación de la alquimia. La acumulación de experiencias alquímicas jugó un papel vital en el futuro establecimiento de la química. En esta investigación se mostrará algunos temas de la unidad 1, en la cual se dará a conocer la clasificación y propiedades de la tabla periódica, así como también unas definiciones. El motivo de la investigación es dejar en claro a detalle como se clasifican ciertos elementos de la tabla periódica, al igual que se verán sus propiedades atómicas, entre más características. GLOSARIO Sintetizados: Fabricar o preparar un material por síntesis. Alcalino: Que tiene un efecto parecido al de los álcalis. Electrones : Partícula elemental de un átomo que contiene la mínima carga posible de electricidad negativa. Lantánidos : Denominación genérica de los metales de las tierras raras, cuyo primer elemento es el lantano. Actínidos: Se refiere al elemento que tiene un número atómico entre el 89 y el 103. Átomo : Partícula constituyente de un cuerpo simple que está formado por un núcleo compuesto de protones y neutrones, y rodeado de electrones en distintas órbitas. Ionización: Proceso de formación de iones en una sustancia cuando los gases han sufrido una ionización total se denominan plasma. Electronegatividad: Capacidad que tiene un átomo de atraer para sí los electrones compartidos con otro átomo en un enlace covalente. Diatónicas : son aquellas que están formadas por dos átomos del mismo o distinto elemento químico. Anión: Ion con carga negativa, que en la electrólisis se dirige al ánodo o electrodo positivo. Catión: Ion de carga eléctrica positiva. Alcalinotérreos : De cada uno de los metales que forman el grupo II de la tabla periódica. Isoeléctricos: Que tiene igual número de cargas positivas que negativas, es decir, que es neutro. Entalpía : Función de estado de un cuerpo igual a la suma de su energía interna más el producto de su presión exterior por su volumen. Exotérmica : Se refiere a la transformación que produce calor la condensación es un fenómeno exotérmico. Endotérmica: Se refiere a la reacción que se produce con absorción de calor. Mol : Unidad de medida de cantidad de materia. Electrostáticas : Parte de la electricidad que estudia las leyes que rigen la interacción de cargas eléctricas en reposo, sus campos eléctricos y potenciales. UNIDAD 1. LOS ELEMENTOS QUÍMICOS; CLASIFICACIÓN PERIÓDICA, PROPIEDADES ATÓMICAS E IMPACTO ECONÓMICO Y AMBIENTAL. CARACTERÍSTICAS DE LA CLASIFICACIÓN PERIÓDICA MODERNA DE LOS ELEMENTOS. Fue diseñado por el químico alemán J. Wener, en base a la ley de Moseley y la distribución electrónica de los elementos. Además, tomo como referencia la Tabla de Mendeleev. Los 109 elementos reconocidos por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) están ordenados según el numero atómico creciente, en 7 periodos y 16 grupos (8 grupos A y 8 grupos B). Siendo el primer elemento Hidrogeno (Z = 1) y el último reconocido hasta el momento meitnerio (Z = 109); pero se tienen sintetizados hasta el elemento 118. 1 Periodo. Periodo, es el ordenamiento de los elementos en línea horizontal. Estos elementos difieren en propiedades, pero tienen la misma cantidad de niveles en su estructura atómica. • Cada periodo (excepto el primero) comienza con un metal alcalino y termina con un gas noble. • El séptimo periodo está incompleto. • El sexto periodo es el que posee mayor cantidad de elementos (es el periodo más largo). 2 Grupo. Grupo o Familia, Es el ordenamiento de los elementos en columna. Estos elementos presentan similar disposición de sus electrones externos; de allí que forman familias de elementos con propiedades químicas similares. Grupos “A” Están formados por los elementos representativos donde los electrones externos o electrones de valencia están en orbitales “s” y/o “p”; por lo tanto, sus propiedades dependen de estos orbitales. Las propiedades de los elementos representativos dentro del grupo o familia varían de manera muy regular, a ello se debe el nombre de elemento representativo. 3 Grupos “B” Están formados por elementos de transición, en cuyos átomos el electrón de mayor energía relativa están en orbitales “d” o “f”; y sus electrones de valencia se encuentran en orbitales “s” (del último nivel) y/o orbitales “d” o “f”; por lo tanto, sus propiedades químicas dependen de estos orbitales. Se denominan elementos de transición, porque se consideran como tránsito entre elementos metálicos de alta reactividad que forman generalmente bases fuertes (IA y IIA) y los elementos de menor carácter metálico que poseen más acentuado su tendencia a formar ácidos (IIIA, IVA, … VIIA). El grupo VIIIB abarca tres columnas (familia del Fe, Co y Ni). Los elementos del grupo IB (Cu, Ag, Au), así como también los elementos del grupo VIB (Cr y Mo) no cumplen la distribución electrónica, como ya se analizará oportunamente. 4 Los elementos del mismo grupo generalmente difieren en sus propiedades. Los elementos de transición interna (tierras raras), poseen electrones de mayor energía relativa en orbitales “f” y pertenecen al grupo IIIB; a estos se les denomina lantánidos y actínidos, cuya abundancia en la naturaleza es muy escasa y muchas veces solo se encuentran en forma de trazas combinados con otros elementos, razón por lo cual se llama “tierras raras”. Lantánidos (lantanoides): comienza con lantano (Z=57) y termina en lutecio (Z=71), poseen propiedades semejantes al lantano. Actínidos (actinoides): comienza con el actinio (Z=87) y termina con lawrencio (Z=103), poseen propiedades semejantes al actinio. 5 PROPIEDADES ATÓMICAS Y SU VARIACIÓN PERIÓDICA. La tabla periódica puede usarse para distintos fines en particular es útil para relacionar las propiedades de los átomos a escala atómica las variaciones de las propiedades de los átomos escala atómica. las variaciones de las propiedades periódicas dependen de las configuraciones electrónicas en especial de la configuración de la capa externa ocupada y de su distancia con respecto al núcleo. En este caso consideremos las siguientes propiedades periódicas. Carga Nuclear Efectiva. La carga nuclear efectiva es la carga positiva neta experimentada por un electrón en un átomo poli electrónico. El término "efectiva" se usa porque el efecto pantalla de los electrones más cercanos al núcleo evita que los electrones en orbitales superiores experimenten la carga nuclear completa. Es posible determinar la fuerza de la carga nuclear observando el número de oxidación del átomo. 6 En un átomo con un electrón, el electrón experimenta toda la carga del núcleo positivo. En este caso, la carga nuclear efectiva puede ser calculada usando la ley de Coulomb. Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son, simultáneamente, atraídos al núcleo debido a su carga positiva, y repelidos por los electrones cargados negativamente. • donde Z es el número atómico, y define tanto el número de protones en el núcleo como el total de electrones de un átomo. • S es la constante de pantalla, depende del número de electrones entre el núcleo y el electrón considerado, y también en qué tipo de orbital se encuentran los electrones que restan carga nuclear. No contribuyen los electrones exteriores al nivel energético considerado, pero sí el resto de los vecinos del mismo nivel. S puede determinarse mediante la aplicación sistemática de varios conjuntos de reglas, el método más simple es conocido como las reglas de Slater (en honor a John C. Slater). 7 Zeff también suele ser representado como "Z* ". La idea de la carga nuclear efectiva es muy útil para entender cómo se modifican a lo largo de la T.P. los alcances de los orbitales atómicos, las variaciones de las energías de ionización, afinidades electrónicas y la electronegatividad, en general, para entender las propiedades periódicas. 8 Radio Atómico. Muchas propiedades físicas como la densidad, puntos de ebullición y de fusión tienen relación con el tamaño del átomo, la densidad electrónica se extiende más allá del núcleo por lo cual se piensa en el tamaño atómico como el volumen que contiene cerca de 90% de la densidad electrónica alrededor del núcleo. Al querer dar más detalles se proporciona el tamaño del átomo en términos de radio atómico, siendo esta la mitad de la distancia entre dos núcleos de dos átomos. Átomos unidos entre sí en una red tridimensional: su radio es solo la mitad de la distancia de un núcleo a otro de dos átomos vecinos. Elementos existentes como moléculas diatónicas simples: su radio será la mitad de la distancia entre núcleos de dos átomos de una molécula. 9 Radio Iónico. El radio iónico es el radio que tiene un átomo cuando ha perdido o ganado electrones, adquiriendo la estructura electrónica del gas noble más cercano. Podemos considerar dos casos: 1. Que el elemento gane electrones. El electrón o electrones ganados se colocan en los orbitales vacíos, transformando el átomo en un anión. La ganancia de electrones por un átomo no metálico aislado es acompañada por un aumento de tamaño. Por ejemplo, los halógenos, situados en el grupo 17, presentan una configuración electrónica en su último nivel, igual a ns2p5, por tanto, pueden acercar un electrón a su último nivel para adquirir la configuración electrónica de un gas noble, ns2p6 con lo que el elemento gana estabilidad y se transforma en un anión (ion con carga negativa). 10 Al comparar el valor del radio atómico de cualquier elemento con el de su anión, éste es siempre mayor, debido a que la carga nuclear es constante en ambos casos, mientras que, al aumentar el número de electrones en la capa más externa, también aumenta la repulsión entre los mismos aumentando de tamaño el orbital correspondiente y por tanto también su radio iónico. 2. Que el elemento pierda electrones. Generalmente se pierden los electrones de valencia y el elemento se transforma en un catión. La pérdida de electrones por un átomo metálico aislado implica una disminución de su tamaño. Por ejemplo, los metales alcalinotérreos presentan una configuración electrónica en su último nivel igual a ns2. Cuando pierden estos dos electrones externos adquieren la configuración electrónica del gas noble que les precede en la tabla periódica, aumentando su estabilidad y transformándose en un catión con dos cargas positivas. 11 El valor del radio atómico del elemento es siempre mayor que el del correspondiente catión, ya que éste ha perdido todos los electrones de su capa de valencia y su radio efectivo es ahora el del orbital n-1, que es menor. Podemos generalizar diciendo que los iones cargados negativamente (aniones) son siempre mayores que sus correspondientes átomos neutros, aumentando su tamaño con la carga negativa; los iones positivos (cationes), sin embargo, son siempre menores que los átomos de los que derivan, disminuyendo su tamaño al aumentar a la carga positiva. Entre los iones con igual número de electrones (isoeléctricos) tiene mayor radio el de menor número atómico, pues la fuerza atractiva del núcleo es menor al ser menor su carga. 12 Energía De Ionización Es una medida de la dificultad existente para arrancar un electrón de un átomo. la primera energía de ionización es la energía que se absorbe al separar el electrón más externo de un átomo gaseoso aislado para dar un ion 1+ (catión): Na(g) Na + (g)+ e= DE1=496 kj/mol (primera energía de ionización) un átomo con "n" electrones tienen "n" energías o potenciales de ionización, pero en general, pero en cuanto mayor sea la energía de ionización más difícil es separar un electrón. 13 Afinidad Electrónica. Es el valor cambiado de signo de la variación de entalpía que se produce cuando un átomo en fase gaseosa gana un electrón para formar un ion con carga 1-(anión). la ganancia del electrón puede ser exotérmica o endotérmica, por ejemplo, cuando un mol de cloro gaseoso gana un electrón para formar un ion cloruro gaseoso se liberan 348 kj(relación exotérmica), es decir: CL(g) + e-cl -g DE=-348 kj/mol por lo tanto, la afinidad electrónica del cloro es 348 kj/mol (3.617 electrón - voltios) los átomos de los halógenos se caracterizan por poseer valores máximos de afinidad electrónica, e correspondencia a formar aniones. los valores tan negativos de los átomos de la familia del berilio indican claramente la ausencia de tendencia formar aniones. 14 Electronegatividad. Es la capacidad que tiene un átomo para atraer electrones. De la misma manera que la afinidad electrónica y la energía de ionización, la electronegatividad aumenta hacia arriba y a la derecha en la tabla periódica. 15 DEFINICIONES. Carga Nuclear Efectiva: La carga nuclear efectiva (Zef) es la fuerza de atracción que ejerce el núcleo sobre cualquiera de los electrones después de ser reducida por los efectos de apantallamiento y penetración. Si no existieran tales efectos, los electrones sentirían la fuerza de atracción de la carga nuclear real Z. En la imagen inferior se tiene el modelo atómico de Bohr para un átomo ficticio. Su núcleo posee una carga nuclear Z= +n, la cual atrae los electrones que orbitan alrededor (los círculos azules). Puede observarse que dos electrones se encuentran en una órbita más cercana al núcleo, mientras que el tercer electrón yace a mayor distancia de este. 16 El tercer electrón orbita sintiendo las repulsiones electrostáticas de los otros dos electrones, por lo que el núcleo lo atrae con menor fuerza; es decir, disminuye la interacción núcleo-electrón como resultado del apantallamiento de los dos primeros electrones. Entonces, los dos primeros electrones sienten la fuerza atractiva de una carga +n, pero el tercero experimenta en su lugar una carga nuclear efectiva de +(n-2). Sin embargo, dicha Zef sería válida solo si las distancias (el radio) al núcleo de todos los electrones fueran siempre constantes y definidas, localizándose sus cargas negativas (1). 17 Tamaño Atómico: Tamaño atómico es la medida del radio de un átomo. Es la mitad de la distancia entre dos núcleos de átomos iguales. El radio atómico aumenta en la tabla periódica de arriba hacia abajo y de derecha a izquierda. El átomo de mayor radio atómico es el Cesio, y el de menor radio atómico es el Helio. 18 Energía De Ionización: La energía de ionización, I, es la energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo gaseoso, aislado y en estado fundamental. Los electrones se encuentran atraídos por el núcleo y es necesario aportar energía para arrancarlos. Siempre se pierden los electrones de la última capa, que son los más débilmente atraídos por el núcleo. Mg(g)→Mg+(g)+1e−(1) Esta ecuación representa la primera ionización del Mg y requiere I1=738 kJ/mol. Es posible continuar arrancando electrones al ion Mg+ obteniendo el Mg2+. Esta segunda ionización siempre requiere más energía que la primera (I2=1451 kJ/mol). 19 El Mg2+ tiene la misma configuración electrónica que el Ne, siendo relativamente fácil formar este ion. Sin embargo, tratar de arrancar más electrones al magnesio tiene un coste energético mucho mayor, observándose un incremento muy importante en la tercera energía de ionización. 20 Afinidad Electromagnética: La afinidad electrónica (AE) se define como la energía intercambiada (suele liberarse) cuando un átomo gaseoso aislado y en estado fundamental coge un electrón para formar un anión. Así el átomo de F libera 328 kJ/mol cuando captura un electrón y se transforma en F−. El anión fluoruro es muy estable por tener la configuración electrónica del neón. F(g)+1e−→F−(g)(1) Aunque los átomos que más energía liberan al captar un electrón se encuentran en la tabla periódica a la derecha, se observa que metales como el litio, en estado gaseoso, también liberan energía formando aniones litio. Li(g)+e−→Li−(g)(2) El calor liberado es: AE=-59.6 kJ/mol. 21 Numero De Oxidación: El número de oxidación es un número entero que representa el número de electrones que un átomo pone en juego cuando forma un compuesto determinado. El número de oxidación es positivo si el átomo pierde electrones, o los comparte con un átomo que tenga tendencia a captarlos. Y será negativo cuando el átomo gane electrones, o los comparta con un átomo que tenga tendencia a cederlos. El número de oxidación se escribe en números romanos (recuérdalo cuando veamos la nomenclatura de Stock): +I, +II, +III, +IV, –I, –II, –III, –IV, etc. Pero también usaremos caracteres arábigos para referirnos a ellos: +1, +2, +3, +4, –1, –2, –3, –4 etc., lo que nos facilitará los cálculos al tratarlos como números enteros. 22 En los iones monoatómicos la carga eléctrica coincide con el número de oxidación. Cuando nos refiramos al número de oxidación el signo + o – lo escribiremos a la izquierda del número, como en los números enteros. Por otra parte, la carga de los iones, o número de carga, se debe escribir con el signo a la derecha del dígito: Ca2+ ion calcio(2+), CO32– ion carbonato(2–). NÚMEROS DE OXIDACIÓN En los oxiácidos +7 +4 H+1 ou H–1 +5 +6 +5 +3 +4 +3 +1 +1 +2 +3 Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Sc+3 Zn+2 Ga Ge As Se Br Rb Sr Y+3 Ag+ Cd+2 In Sn Sb Te I Cs Ba La+3 Tl Pb Bi - - –4 23 –3 –2 –1 Con el H y con los metales Electronegatividad: La electronegatividad se define como la capacidad de un elemento para atraer hacia sí los electrones que lo enlazan con otro elemento. Esta propiedad periódica nos permite predecir la polaridad del enlace formado entre dos átomos, así como el carácter covalente o iónico del mismo. La electronegatividad está relacionada con la energía de ionización y la afinidad electrónica. Un átomo con una afinidad electrónica muy negativa y un potencial de ionización elevado presenta una electronegatividad alta (cloro, flúor). Por el contrario, átomos con baja afinidad electrónica y bajo potencial de ionización tienen electronegatividad pequeña (alcalinos). La electronegatividad aumenta, por tanto, hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica. Una escala de electronegatividades muy utilizada es la creada por Linus Pauling en 1904. Los valores de la escala de Pauling oscilan entre 0.7 para el Francio y 4 para el Flúor. Utilizando la tabla de electronegatividades vamos a predecir la polaridad de algunos compuestos. 24 • F2. La electronegatividad del flúor es 4. La diferencia de electronegatividad entre los átomos que forman el enlace es: 4-4=0. Se trata de un enlace covalente apolar. • HF. La electronegatividad del Flúor es 4, la del hidrógeno 2.1. La diferencia de electronegatividad entre ambos átomos es: 42.1=1.9. Se trata de un enlace covalente polar. • LiF. La electronegatividad del Flúor es 4, la del litio 1. La diferencia de electronegatividades: 4-1=3. Se trata de un enlace de tal polaridad que lo denominamos iónico. En este enlace el flúor retiene los electrones del enlace y se encuentra en forma de anión fluoruro, el litio por su parte está como catión litio. En esta imagen podemos observar las densidades electrónicas en las moléculas de F2, HF y LiF. La región azul es pobre en densidad electrónica, mientras que la roja es rica. 25 CONCLUSIÓN. Como se puedo ver en esta pequeña investigación nos damos cuenta de lo importante que es la química hoy en día, ya que sin ella no se llevaría a cabo muchos de los descubrimientos que se han dado a través de las décadas, por ende, cabe mencionar que es de interés aprender muchas propiedades químicas y características que ya antes se hicieron mención. Al igual el manejo de conceptos básicos dentro de la materia, el cual facilito mas el trabajo de investigación y comprensión. La historia de la química está intensamente unida al desarrollo del hombre, ya que abarca todas las transformaciones de materias y las teorías correspondientes. Por otra parte, la historia de la química se relaciona, en gran medida, con la historia de los químicos y según la nacionalidad o tendencia política se resalta en mayor o menor grado los logros hechos en un determinado campo o por una determinada nación, aunque estos finalmente han beneficiado a toda la humanidad. 26 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS. http://unidad111111111.blogspot.com/2013/06/21caracteristicas-de-la-clasificacion.html http://materiaestructurayperiodicidad.blogspot.com/2017/09/1propiedades-atomicas-y-variaciones.html https://www.lifeder.com/carga-nuclear-efectiva/ http://conceptosdequimica.blogspot.com/2009/07/tamanoatomico.html http://www.quimicafisica.com/energia-de-ionizacion.html http://www.quimicafisica.com/afinidad-electronica.html https://www.alonsoformula.com/inorganica/numero_oxidacion. htm 27
