Formas de la tabla periódica

Tabla de MENDELEYEV. Primera tabla periódica. Publicada en Rusia en 1869 y traducida al alemán 

Tabla periódica. Editada en Moscú en 1966

Tipo calendario MAYA

Tipo ESPIRAL

Tipo TORRE 

Tipo CORTA

Tipo I. U. P. A. C. AÑO 2020

Química y método científico

Como habíamos dicho en la entrada de química, la química es la rama de la ciencia que se encarga de estudiar la materia con respecto a sus propiedades, estructura, composición, cambios físicos y químicos y la energía envuelta en estos cambios.

La química es una ciencia porque está formada por un conjunto de leyes y principios obtenidos mediante la aplicación rigurosa del método científico. Un concepto más dinámico es considerar la química como una ciencia que busca continuamente variables que permiten explicar la realidad del objeto problema.
El método científico es un conjunto de etapas realizadas de una manera metódica y sistemática que permite obtener conclusiones a partir de una observación. Aunque se pueden incluir diversas etapas, las etapas básicas son:

🔸Observación
🔸Formulación del problema
🔸Hipótesis
🔸Diseño del experimento para afirmar o negar las hipótesis
🔸Análisis e interpretación de los resultados
🔸Conclusiones
🔸Publicación de los resultados 

La observación consiste en la adquisición de una experiencia a través de nuestros sentidos o mediante un instrumento sobre un hecho o fenómeno. 

La formulación del problema consiste en las interrogantes de investigación o preguntas de investigación. El uso de preguntas de investigación es la manera más fácil y directa de formular un problema. 

La hipótesis de investigación es contestar las preguntas de investigación sin haber realizado la investigación, es decir, un supuesto que debemos afirmar o negar a través de la experimentación.

Los supuestos para responder las preguntas de investigación se basan sobre la experiencia, intelecto e intuición del investigador, investigación exploratoria previa y de la información publicada sobre el problema de investigación. 

El diseño experimental consiste en los experimentos requeridos para recopilar los datos necesarios que permiten verificar las hipótesis.

El análisis consiste en describir y resumir los datos, identificar la relación entre variables, comparar variables e identificar la diferencia entre variables. Es decir, analizar los elementos básicos de la información y examinarlos con el propósito de responder a las distintas hipótesis planteadas en la investigación. La interpretación es el proceso cognitivo que realiza el investigador para encontrar un significado más amplio de la información empírica recabada y poder emitir conclusiones sobre las hipótesis planteadas. 

Las conclusiones son los argumentos y afirmaciones sobre el objeto problema y basados sobre los resultados experimentales. La conclusión debe incluir la afirmación o negación de la hipótesis o las razones para afirmar o negar la hipótesis. 

El conocimiento estático es menos útil que el conocimiento que fluye a través de los medios de comunicación (revistas, journals, Internet...) y, por tanto, es necesario publicar los resultados para que otras personas puedan utilizarlos. 

Molécula

Molécula es un grupo de átomos iguales o desiguales sin carga neta, combinados en proporciones definidas, unidos mediante enlace químico y actuando físicamente y químicamente como una unidad simple.

Una molécula es la menor porción de una sustancia compuesta capaz de existir en condición libre, y que conserva todas las propiedades de dicha sustancia compuesta, es decir, la partícula más pequeña de una sustancia compuesta que puede existir sin descomponerse en sus átomos constituyentes.
No todas las sustancias compuestas ocurren en forma molecular. Por ejemplo, el NaCl (cloruro de sodio) no es una molécula. El NaCl esta formado por iones Na⁺ e iones Cl^-que forman un cristal. En este tipo de compuesto, los iones con signos opuestos se unen mediante fuerzas electrostáticas o enlace químico electrovalante.

Las fuerzas intermoleculares son más débiles que las fuerzas interatómicas. Por tanto, es más fácil separar las moléculas que separar sus átomos constituyentes.
Las moléculas se unen mediante interacciones de Van der Waals que pueden ser: interacción dipolo-dipolo entre moléculas polares, interacción dipolo-dipolo inducido e interacción dipolo inducido-dipolo inducido o interacción por dispersión (fuerzas de dispersión de London). El enlace mediante puente de hidrógeno es un tipo de interacción dipolo-dipolo. La interacción dipolo inducido-dipolo inducido ocurre en moléculas no polares.
La gran mayoría de las sustancias volátiles son moléculas.  
Si la molécula está formada por átomos iguales (misma naturaleza) se denomina homoatómica, homonuclear u homogénea. Si está formada por átomos diferentes (diferente naturaleza) es heteroatómica, heteronuclear o heterogénea.

La fórmula molecular determina el número y clase de átomos que forman una molécula. Por ejemplo, CO₂ indica que una molécula de dióxido de carbono está formada por un átomo de carbono por cada dos átomos de oxígeno. Moléculas polares como, por ejemplo, el agua posee interacciones mediante puente de hidrógeno, las moléculas de agua se asocian haciendo que el agua tenga la fórmula (H₂O)_n (n es el número de moléculas asociadas). Moléculas que se asocian presentan una masa molar aparente superior a su masa molar real. Por ejemplo, el ácido acético(CH₃COOH) en fase de vapor a 124,8°C posee una masa molecular relativa aparente de 90,35 (determinada mediante el método de Dumas), mientras que su masa molecular relativa real, determinada mediante las masas atómicas de sus elementos constituyente, es de 60,05. La diferencia entre las masas moleculares relativas se debe al grado de asociación entre las moléculas del ácido acético.

La siguiente figura muestra ejemplos de moléculas. 

Ejemplos de moléculas

Las masas moleculares relativas se determinan mediante un espectrometro de masas, pero también se pueden utilizar métodos basado en la ley de los gases y propiedades coligativas de las soluciones, entre otros métodos. 
La masa de una molécula (denominada a veces masa molecular absoluta) se determina multiplicando la masa molecular relativa por el valor de la unidad de masa atómica unificada (u o Da).

masa de la molécula = M_r 1,66053906660(50)x10^-27 kg.

El tamaño de una molécula está en los alrededores de 2x10^-10m o 200 pm.

El nombre de molécula se debe al italiano Amadeo Avogadro (1776-1856). 

El concepto de molécula permitió explicar la ley de los volúmenes de combinación de Gay Lussac, la cual no se podía explicar mediante la teoría atómica de Dalton. 

Amadeo Avogadro

Avogadro se dedicó a la enseñanza de la física y matemáticas. Publicó varios trabajos sobre el comportamiento de los gases y planteó la hipótesis de que en volumenes iguales de diferentes gases medidos a las mismas condiciones de presión y temperatura
existen el mismo número de moléculas. En la actualidad, la hipótesis de Avogadro se considera una ley. El número de entidades contenidas  en un mol se denomina constante de Avogadro en honor honor a Amadeo Avogadro. 

            N_A= 6,02214076x10²³ mol^-1

El vídeo muestra una molécula de Arsola. La envoltura fue calculada usando los radios de Van der Waals. 

Materia y propiedades

  

Fig. 1. Aristóteles

Algunos filosofos griegos se preguntaban si la materia era continua o discontinua. Aristóteles creía que la materia era continua y, por tanto, se podía, hipotéticamente, dividir indefinidamente en 

partículas cada vez más pequeñas. Leucippus y Demócrito sostenían que la materia era discontinua y, por tanto, tenía un final. Es decir, la subdivisión de la materia daría como resultado unas partículas indivisibles e indestructibles denominadas átomos. La palabra átomo proviene del griego que significa indivisible. 

En la actualidad, la fisión nuclear ha demostrado que el átomo es divisible y destructible en el sentido de que se transforma en otro átomo o átomos, emisión de partículas y liberación de energía. 

En una reacción química ordinaria, los átomos reaccionantes aparecen en los productos de la reacción sin alteración de su núcleo atómico. Es decir, las reacciones químicas ordinarias dependen de la estructura electrónica de los átomos reaccionantes y no del núcleo atómico. De los electrones más externos del átomo dependen los enlaces interátomicos y las reacciones de oxidación y reducción.

Fig. 2. Demócrito

Estas teorías eran especulativas o no tenían fundamentos científicos, es decir, eran teorías no basadas sobre el método científico.

La existencia del átomo fue aceptada por grandes científicos como, por 

ejemplo, Robert Boyle (1661), Isaac Newton (1687; 1704)... 

Dalton, basado sobre la aceptación de la existencia del átomo, propuso su teoría conocida como la teoría atómica de Dalton (1803-1808) para explicar las Leyes Ponderales de la Química. La teoría de Dalton consiste de los siguientes postulados: el átomo es una esfera maciza, todos los átomos de un mismo elemento son iguales en propiedades y masa, los átomos de diferentes elementos son diferentes en propiedades y masa, las reacciones químicas son la combinación de átomos en una relación de números enteros y secillos, los átomos no se destruyen en una reacción química. 

Fig. 3. John Dalton

  Amadeo Avogadro (1776-1856), para explicar las reacciones químicas entre los gases, supuso que las últimas partículas de las sustancias elementales no son los átomos sino agregados de átomos que denominó moléculas. Propone el principio de que en volúmenes iguales de gases, medidos a las mismas condiciones de presión y temperatura, hay el mismo número de moléculas. J. J. Thomson (1856-1940) determina la relación carga/masa del electrón. Robert Millikan (1909) determina la carga del electrón. Ernest Rutherford (1871-1937) descubre el núcleo atómico y el protón al investigar la dispersión de partículas alfa. L. de Broglie (1924) mediante reflexiones matemáticas concluye que la materia posee comportamiento dual de corpúsculo y onda. Este comportamiento dual de la materia se ha utilizado para explicar el efecto fotoeléctrico, la difracción de la luz, difracción de electrones... Niels Bohr (1885-1962) explica el espectro del átomo de hidrógeno. Utiliza un modelo planetario para el átomo, donde los electrones giraban en órbitas circulares. Arnold Sommerfeld (1868-1951) propone órbitas elípticas y circulares para los electrones. James Chadwick (1932) descubre al neutrón. Henri Becquerel (1852-1908) descubre la radioactividad... Todas estas investigaciones permitieron obtener datos empíricos que  dieron origen a las determinaciones del número de moléculas presentes en un mol de gas, carga y masa de las partículas fundamentales, y la realización de modelos atómicos y moleculares para explicar la constitución de la materia y la estructura del átomo. 

Basados sobre estos estudios, la segunda ley de Newton, la ecuación de Einstein y otros estudios podemos definir la materia de la siguiente manera.
Materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, posee masa, formada por la unión de átomos y moléculas, es interconvertible en energía (la interconversión de materia en energía está dada por la ecuación de Einstein), es ponderable (se puede medir), por si misma no modifica su estado de reposo o de movimiento (posee inercia), el espacio que ocupa un material en un momento dado no puede ser ocupado por otro material en ese momento, es transformable mediante métodos físicos y químicos ordinarios, pero no se puede destruir mediante estos métodos (en las reacciones químicas se conserva la materia, pero en reacciones de fisión y fusión nuclear se transforma en energía) y tiene comportamiento dual de corpúsculo y onda. 

Ecuación de Einstein. 

                            

E es energía, m masa y c es la velocidad de la luz. 

c = 299 792 458 m/s

La materia tiene volumen, es decir, el espacio ocupado por la materia es el volumen. 

La masa es la cantidad de materia que existe. De la fuerza que se necesita para vencer la inercia de la materia (inercia es la resistencia que ejerce la materia a modificar su estado de reposo o de movimiento) se obtiene la idea de masa. La masa de la materia es proporcional a la inercia de la materia, y queda definida como m=F/a. F es fuerza, m es masa y a es aceleración. Las partículas relativistas poseen una masa en reposo y otra masa en movimiento. Para partículas no relativistas la masa se puede considerar independiente de la velocidad.

^{m = m_o / √[1- (v/c)2]}

m es la masa a la velocidad v, m_o es la masa en reposo y c es la velocidad de la luz. 

La materia está formada por materiales, es decir, los constituyentes de la materia son los materiales.

Las propiedades son atributos o cualidades que caracterizan a los materiales. Las propiedades pueden ser físicas y químicas. Las propiedades físicas no requieren de la transformación del material en otro material distinto para medirlas, ya  que no dependen de la estructura electrónica de los constituyentes de la materia. Por ejemplo, mediante el cambio de estado reversible de sólido a líquido se puede medir la temperatura de fusión o la temperatura de congelación.
Las propiedades físicas pueden ser extensivas, específicas y condiciones. Las extensivas dependen de la cantidad de materia y, por tanto, no pueden ser utilizadas para identificar un material. Ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el volumen, la fuerza, el peso...
Las propiedades específicas son propiedades que no dependen de la cantidad y, por tanto, pueden utilizarse para identificar a los materiales. Ejemplos de propiedades específicas son densidad, color, solubilidad, temperatura normal de fusión y ebullición...
Las condiciones son propiedades que cambian en la misma muestra. Por ejemplo, la presión, la temperatura, el estado de reposo o de movimiento...
El peso es una propiedad extensiva que depende de la gravedad del lugar, y se mide con el dinamómetro. La masa de la materia es una propiedad extensiva por depender de la cantidad de materia. La masa se mide con una balanza.
La relación entre la masa y el volumen es la densidad (d=m/V). La densidad es una propiedad física específica por no depender de la cantidad de materia, pero depende de la temperatura, y debe ser especificada al reportar la densidad. La densidad se puede medir con diferentes instrumentos como, por ejemplo, densímetro, densitómetro, balanza para densidad de gases... La densidad de los gases depende de la temperatura y la presión, y ambas deben ser especificadas al reportar un valor de densidad. Los líquidos son prácticamente incomprensibles, debido a que se requieren presiones muy elevadas para provocar una pequeña variación de volumen y, por tanto, de densidad.
Las propiedades químicas dependen de la estructura electrónica de los materiales, y para medirlas es requerido cambiar la estructura electrónica de estos materiales mediante una reacción química, es decir, requieren de un método que transforme los materiales en otros distintos. Estos métodos se denominan destructivos, pero la materia se conserva.
Ejemplos de propiedades químicas son la combustión, oxidación, halogenación... La materia provista de forma y tamaño se denomina cuerpo.

Química

La química es la ciencia que estudia la materia con respecto a sus propiedades físicas y química,  estructura, composición, cambios físicos y químicos y la energía envuelta en estos cambios. 

La química es una ciencia porque está formada por un conjunto de leyes y principios obtenidos mediante la aplicación rigurosa del método científico. Desde un punto de vista dinámico, la química es una ciencia, debido a que busca continuamente variables que ayudan a explicar la realidad del objeto problema.

Las principales ramas de la química son:
química general, química descriptiva, química analítica, fisicoquímica, bioquímica y química técnica. 

La química general estudia los principios fundamentales de la química y la descriptiva de algunas sustancias inorgánicas y orgánicas de uso frecuente. Un curso de química general envuelve un estudio básico de los siguientes temas: teoría atómica y molecular, enlace químico, estados de la materia; cálculos basados sobre gases, sustancias, ecuaciones y soluciones; termodinámica química, cambios de fase, cinética química, equilibrio químico, electroquímica y química descriptiva de algunas sustancias. 

La química descriptiva estudia la obtención, propiedades y aplicaciones de las sustancias simples y compuestas. Se divide en química inorgánico y orgánica. La química inorgánica estudia las sustancias minerales o inorgánicas, es decir, sustancias que, en su mayoría, no poseen carbono. La química orgánica estudia las sustancias que derivan del carbono, excepto sustancias como CO, CO2, carbonatos y otras pocas que por razones históricas se consideran inorgánicas.

La química analítica identifica y cuantifica a las sustancias presentes en un material. Se divide en química analítica cuantitativa y química analítica cualitativa. La cuantitativa determina las cantidades de sustancias que posee un material determinado. La cualitativa identifica a las sustancias presentes en un material dado. La cuantitativa responde a la pregunta ¿qué cantidad hay?, mientras la cualitativa responde a la pregunta ¿qué elementos o sustancias hay? 

La fisicoquímica estudia los principios físicos envueltos en la química.

La bioquímica estudia las sustancias y reacciones químicas envueltas en los organismos vivos. 

La química técnica o aplicada estudia las aplicaciones industriales de la química, es decir, la obtención industrial, en gran escala, de sustancias. 

Se divide en química industrial e ingeniería química. La química industrial estudia los procedimientos, es decir, ordena las operaciones y procesos que permiten la producción industrial de mezclas y sustancias químicas, y el estudio sobre las modalidades de aplicación de los productos obtenidos en cada industria en particular (estudia particularmente las diferentes industrias químicas). 

La ingeniería química estudia las operaciones o transformaciones de orden físico (operaciones unitarias), los procesos o transformaciones de orden químico, diseño de equipos e instalaciones químicas y su operación, y utiliza principios de economía y relaciones humanas con el objeto de producir mezclas y sustancias en gran escala (considera  los métodos generales de las operaciones en la industria). 

De acuerdo con el propósito que se persigue, la química se clasifica en química aplicada y teórica. Ambas ramas de la química son importantes, debido a que los estudios teóricos suministran conocimientos que pueden ser utilizados con un propósito práctico o aplicado. 

La química se ha vuelto tan especializada que ha sido necesario dividirla en diversas subramas como, por ejemplo, agroquímica (estudia los suelos y alimentos tanto de origen animal como vegetal), química nuclear (estudia las reacciones en las que intervienen los núcleos atómicos), electroquímica (estudia las propiedades eléctricas de las sustancias y las reacciones químicas producidas por la corriente eléctrica), química ambiental (estudia los efectos producidos por las sustancias químicas en el medio ambiente), química de polímeros (estudia la obtención, propiedades y aplicación de sustancias de gran tamaño obtenidas por la repetición de pequeñas unidades químicas simples), termodinámica (estudia los cambios de energía envueltos en los fenómenos físicos y químicos), cinética química (estudia la velocidad de reacción y los mecanismos de reacción), petroquímica (utiliza como materia prima para la producción de productos al petróleo)... 

La química está estrechamente relacionada con otras ciencias como, por ejemplo, geología, mineralogía y cristalografia, metalurgia, biología, matemáticas, astronomía, farmacia, geología, neurociencias, física... 

La química también es divertida. 

Fórmula empirica. Cálculo

El ejemplo muestra la forma de calcular la fórmula empirica a partir de la composición centesimal y haciendo uso del máximo común divisor (m.c.d).

También podemos determinar la relación entre los moles de átomos, que forman al compuesto, operando de la siguiente manera. Calculamos la proporción en moles con la que se combinan H y C y la expresamos en números enteros. (4,54 mol H/100 g muestra)/(3,407 mol C/100 g muestra) = 1,33 mol H/mol C. Expresamos esta relación en números enteros. 1,33 mol H/mol C = 4 mol de H/3 mol de C. Por tanto, hay 4 mol de H por 3 mol de C. Calculamos la proporción en moles entre H y O o C y O y la expresamos en números enteros. (4,54 mol H/100 g muestra)/(3,406 mol O/100 g muestra) = 1,33 mol H/mol O = 4 mol H/3 mol O. Por tanto, hay 4 mol de H por 3 mol de O, y el mismo número de moles de C y O. La fórmula es C'₃H₄O₃

Gibbs (energía libre de Gibbs)

La dependencia de la energía libre molar de Gibbs con la presión, a temperatura constante, se define mediante la siguiente derivada parcial.

Para una gas ideal el V_m está dado por:

V_m = RT/P

Sustituyendo el volumen molar en la derivada parcial e integrando entre Pº (presión estándar de 101.325 Pa) y P, se obtiene la siguiente expresión para la energía libre molar de Gibbs.

(1) G_m (P,T) = Gº_m(T) + RT Ln (P/Pº)

Gº_m(T) es la energía libre molar de Gibbs a la presión de 101.325 Pa y a la temperatura T, y G_m(P,T) es la energía libre molar de Gibbs a la presión P y a la temperatura T.

Consideremos una reacción química hipotética de la forma:

aA + bB + ... = cC + dD+ ...

El cambio de energía libre para la reacción lo obtenemos aplicando la expresión (1) a cada participante de la reacción.

G_Productos(P,T) - G_Reactantes(P,T) = cGº_mC(T) + cRT Ln (P_C/Pº) + dGº_mD(T) + dRT Ln (P_D/Pº) +... - [aGº_mA(T) + aRT Ln (P_A/Pº) + bGº_m + bRT Ln (P_B/Pº)+ ...]

Agrupando términos logarítmicos:

G_Productos(P,T) - G_Reactantes(P,T) = Gº_Productos(T) - Gº_Reactantes(T) + RT Ln [(P_C/Pº)^c (P_D/Pº)^d.../(P_A/Pº)^a(P_B/Pº)^b...]

Mientras la variación de entropía nos indica si un sistema es reversible o irreversible, la variación de energía libre nos indica las posibilidades de que un sistema sea no espontáneo, espontáneo o se encuentre en equilibrio.

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) menor que 0, la reacción es espontánea

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) mayor que 0, la reacción no es espontánea

G_Productos (P,T) - G_Reactantes (P,T) = 0, la reacción está en equilibrio

Para una reacción en equilibrio, el término entre corchetes es la constante de equilibrio K_P a la temperatura T de la reacción.

Gº_Produtcos(T) - Gº_Reactantes(T) = - RT Ln K_P

El primer miembro de la igualdad anterior es la variación de la energía libre estándar de la reacción a la temperatura T.

El cambio de energía libre de Gibbs, la variación de entalpía y la variación de entropía se relacionan mediante las siguientes expresiones. La primera expresión es para un proceso isotérmico y la segunda para uno no isotérmico.

Se define la variación de energía libre de formación como la variación de energía libre envuelta en la formación de un mol de una sustancia. Por convención, la energía libre de formación de un elemento en sus estado natural es cero a 298,15 K.

La dependencia de la energía libre estándar de Gibbs con la temperatura está dada por las siguientes expresiones. Las expresiones también son aplicables a presiones diferentes a la estándar.

Biografía de Gibbs: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/g/gibbs.htm