Química

� La Materia 716

� Clasificación Periódica 724

� Enlace Químico 726

� Formulación Inorgánica 728

� Reacciones Químicas 730

� Termoquímica 732

� Cinética Química 734

� Química del Carbono 742

química • la Materia

Estados Físicos de la MateriaLa materia puede presentarse en tres estados:gas, líquido y sólido; existe un cuarto estado,el de plasma, que sólo se encuentra en las estrellas.

� ESTADO GASEOSO

El aire, formado por oxígeno y nitró-geno, es una mezcla de gases; el hi-drógeno, obtenido en muchas reaccio-nes de ácidos con metales, es tambiénun gas. Los gases son fluidos que secaracterizan por su compresibilidad yexpansibilidad. Al relacionar la pre-sión, la temperatura y el volumen deuna determinada masa de gas, obte-nemos las leyes de los gases. Lla-mamos gases ideales a aquellos que cumplen las leyes de los gases.En cambio, aquellos que no las cumplen con exac-titud se conocen con el nombre de gases reales.

La presión de un gas es el resultado de losimpactos entre las moléculas del gas al chocarcontra la pared del recipiente que lo contiene.

La temperatura absoluta o kelvin es la basadaen el cero absoluto, que corresponde a –273 °C;es la más baja que puede alcanzar la materia, endonde no hay ningún tipo de movimiento, elreposo absoluto. La temperatura kelvin se obtie-ne a partir de la centígrada:

T = t° + 273

Ley de Boyle-MariotteFormulada en el año 1676 y relacionada con la variacióndel volumen con la presión, dice que, para una masa de gasa una temperatura constante, la presión que ejerce es inversa-mente proporcional al volumen que ocupa; se representa:

P · V = cte

La línea resultante se denomina isoterma, formada por puntos deigual temperatura. Sólo se cumple si las presiones son bajas, ya queen caso contrario el gas podría condensarse.

Si en un tubo en forma de U que contiene mercurio, lo cerramos por un extremo y le añadimos un volumen H

de mercurio, en el otro extremo el gas encerrado secomprime dejando un espacio h. Si le añadimos el doble

de metal 2 H, el aire del extremo cerrado se comprimirá a la mitad, es decir h/2.

716

Espitacerrada

Espitaabierta

Mercurio

H hh/2

2 H

P

V

P1V1 = P2V2

P1

P2

V1 V2

Estado de plasma. La materia está formada por

cargas eléctricas libres positivas y negativas en continuo movimientoy desordenado. Los átomos como tales no existen

y ha desaparecido el núcleo. Esto es propio del Sol y las estrellas.

Ley de Boyle-Mariotte.La expansibilidad de los gases

es su principal propiedad. La compresibilidad de un gas no

puede seguir de forma indefinida,puesto que nunca será posible tener

volumen cero, porque la materiaocupa un volumen.

Ley general de los gases ideales

Si se combinan las leyes de Boyle y de Charles y Gay-Lussac deforma que entren en juego y varíen las tres magnitudes, presión,temperatura y volumen, obtenemos para una misma masa de cual-quier gas, el producto de su presión por el volumen que ocupa divi-dido por su temperatura absoluta es constante, y se expresa:

VP · —– = cteT

Si la cantidad de materia gaseosa es de un mol y el gas se en-cuentra en condiciones normales, esto es, temperatura de 273 Ky presión de 1 atmósfera, el volumen del gas es de 22,4 litros.Si sustituimos en la ecuación general de los gases los valoresanteriores el valor que se obtiene es 0,082, conocido como laconstante R de los gases ideales.

Teoría cinético-molecularEsta teoría aplicada a los gases, propuesta por Bernoulli en elsiglo XVIII y ampliada por Clausius y Maxwell en el siglo XIX,dice así:

• Los gases están constituidos por moléculas que se muevende forma rápida y continua en todas las direcciones y al azar.

• Las moléculas chocan entre sí y con las paredes del recipien-te que las contiene de forma elástica, sin perder energía.

• La fuerzas de atracción entre las moléculas de los gases ideales son nulas.

• El volumen ocupado por la masa de gas es inapreciable enrelación al volumen del recipiente.

• La energía cinética media de las moléculas es directamenteproporcional a la temperatura absoluta.

química • Estados Físicos de la Materia

Leyes de Charles y Gay-LussacEl volumen de una masa de cualquier gas es directamente pro-porcional a la temperatura absoluta si la presión se mantieneconstante; ello se representa:

V––– = cteT

La presión ejercida por la masa de cualquier gas es direc-tamente proporcional a la temperatura absoluta si elvolumen se mantiene constante; se representa:

P ––– = cteT

Estas leyes se cumplen mejor a bajas presiones y tempe-raturas elevadas.

Segunda ley de Gay-Lussac. Al aumentarla temperatura, la presión tambiénaumentará, esto sólo puede ocurrir si elrecipiente está cerrado herméticamente y no puede dilatarse, es decir, que suvolumen sea siempre el mismo.

Diagramas que muestran las variaciones de la presión y del volumen

con la temperatura de acuerdo con las leyes de Gay-Lussac.

Primera ley de Gay-Lussac. Si aumentamos la temperatura de un recipiente cerrado

por un émbolo móvil que contiene un gas, se observa que el émbolo sube

como consecuencia del aumento del volumen: es la dilatación térmica del gas.

P

P0

–273 °C0 K

0 °C273 K

100 °C373 K

P V

P— = constanteTV— = constanteT

0 0273 K 273 K TT

717

química • la Materia

� ESTADO LÍQUIDO

Al enfriar un gas y al aumentar la presión sobre él, éste puede llegar a licuarse. Los líquidos tienen la propiedad de la volatilidad, es de-cir, capacidad para evaporarse, queaumenta con la temperatura. Si a unadeterminada temperatura dejamosevaporar un líquido en un recipientecerrado, las moléculas evaporadasejercerán una presión, la presión devapor, que aumenta con la tempera-tura y que, al igualarse con la atmosférica, alcan-za el punto de ebullición. Cada líquido tieneuna presión de vapor propia.

Dilatación de los líquidos

El aumento de volumen se manifiesta en loslíquidos al calentarlos. En general se dilatanmás que los sólidos. El fenómeno de la dila-tación de los líquidos es la base de la construc-ción de los termómetros, tanto de mercuriocomo de alcohol.

Al contrario que la mayoría de los líquidos,el agua no se dilata siempre que se calienta yse contrae cuando se enfría. Entre 0 y 4 °C, elagua se contrae en lugar de dilatarse. A partirde 4 °C sigue el comportamiento normal. Poreste motivo decimos que la densidad del aguaes 1 g/cm3 a 4 °C.

� ESTADO SÓLIDO

Los sólidos son rígidos, difíciles de deformar ycon enormes fuerzas atractivas entre sus partícu-las que sólo permiten movimientos de vibraciónentre ellas. Poseen energía potencial alta y ener-gía cinética baja. En el cero absoluto, la mate-ria está totalmente inmóvil y en estado sólido.

Cuando un sólido se calienta, la energía sumi-nistrada se emplea en incrementar la energía

La volatilidad de los líquidos, como en el caso del agua,por ejemplo, permite que por la acción continuada de unfoco calorífico, como puede ser el Sol, sobre una amplia

superficie, evaporar el disolvente líquido y obtener la sal cristalizada.

La dilatación de los líquidos permite la construcción de termómetros. Se utilizan mercurio o alcohol. Para calibrar eltermómetro se establecen los puntos más significativos, 0 °C en elpunto de fusión del agua y 100 °C como punto de ebullición.

Dilatación anómala del agua. Por debajo de los4 °C, el volumen aumenta, debería ser al revés,

y con ello su densidad se hace más pequeña. A los 4 °C se obtiene el valor máximo de densidad 1.

Si se calienta por encima de 4 °C, el volumen nuevamenteaumenta, como corresponde,

y su densidad disminuye.

4

10,9

d(g/cm3)

t °C

cinética de vibración de las partículas; al alcan-zar el punto de fusión, se vencen las fuerzasatractivas, las partículas adquieren más movili-dad y es cuando el sólido funde.

718

Cristales cúbicos de cloruro de sodio. Los iones se colocan

de forma ordenada y geométricamente, tal que las cargas eléctricas de los cationes y aniones se anulan.

química • Estados Físicos de la Materia

Dilatación de los sólidos

Al calentar un sólido, sus partículas vibran con másintensidad provocando una mayor separación entre ellas.Se produce dilatación lineal, aumento de la longitud, siel cuerpo tiene forma alargada.

La dilatación superficial, aumento de lasuperficie, se produce si el cuerpo presen-ta forma plana y la dilatación cúbica,aumento del volumen, si el cuerpo presen-ta forma tridimensional.

Cristales

Los átomos, iones o moléculas del sólido se disponen orde-nadamente en los nodos de una red formando una estruc-tura cristalina. Los sólidos se pueden clasificar en funcióndel tipo de partícula que forma la red cristalina:

• Cristales iónicos. En los nodos de la red hay iones, alter-nativamente positivos y negativos, atraídos por intensasfuerzas electrostáticas. Un ejemplo es el cloruro de sodio,NaCl.

• Cristales atómicos o covalentes. En los nodos de la redhay átomos que están fuertemente unidos a través de enlaces covalentes y forman una macromolécula.Son muy duros y su punto de fusión es alto. Destaca eldiamante.

• Cristales moleculares. En los nodos de la red hay mo-léculas. Las fuerzas de atracción son débiles. Dentro deeste grupo destacan el oxígeno, el nitrógeno y el aguacuando se enfrían hasta su punto de congelación.

• Cristales metálicos. Los átomos positivos (cationes) del metal se distribuyen en los nodos de lared cristalina, mientras que los electrones fluyen como un gas electrónico.

Sólido metálico. Los metales, como los cablesde cobre que se utilizan para conducir la electricidad, están formados por infinitosátomos en los que los electrones de la últimacapa se mueven libremente por toda la estructura, a lo largo del cable, por ello son buenos conductores del calor y de la electricidad.

Cristal molecular. El hielo, agua solidificada, se forma a bajas temperaturas.

En el cristal, las moléculas de agua ocupan los retículos de la red. Las fuerzas

atractivas son débiles, son blandos y no son conductores.

En la unión de dos raíles se deja un espacio hueco como medida de seguridad para compensar la dilatación térmica que se produce en

épocas de calor. Al calentarse los sólidos, sus partículas vibran más y tienden a separarse, lo cual es la dilatación.

719

química • la Materia

� CAMBIOS DE ESTADO

Cuando suministramos energía térmica a uncuerpo, éste aumenta su temperatura; sin embar-go, en el instante en que la sustancia llega a latemperatura del cambio de estado, toda la ener-gía suministrada se invierte en vencer las fuer-zas atractivas entre las partículas y cambiar deestado. Esta cantidad de energía recibe el nom-bre de calor de cambio de estado.

Temperatura de fusión Es la cantidad de energía calorífica necesariapara fundir 1 kg de masa de un sólido cuandoéste se encuentra a la temperatura de fusión.En el proceso contrario, la solidificación, se des-prende la misma cantidad de calor. El calor defusión (cf ) del agua es de 334 kJ/kg.

Hielo

Fusión de chocolate(sólido a líquido)

Vapor de agua

Escarcha (gas a sólido)

Sublimación delyodo (sólido a gas)

Solidificación delcaramelo (líquidoa sólido)

Vaho, condensación del agua (gas a líquido)

Sólido

Gas

Agua pura

Temperatura (en °C)

Gas (vapor)

Ebullición

Líquido

Sólido

Calorcvcf0

100

Diagrama de los cambios de estado en función de la temperatura en el agua. Los puntos de fusión

y de ebullición son característicos de cada sustancia. Así, sólo el agua tiene como punto de fusión 0 °C

y de ebullición 100 °C.

Aumento de energía

Disminución de energía

720

721

química • Estados Físicos de la Materia

Fusión-solidificación

El paso de sólido a líquido se denomina fusión y el inverso, solidificación. Todo cuerpo funde a unatemperatura determinada, llamada temperatura de fusión. Varía muy poco con la presión, aunque

sus valores se dan a 1 atmósfera (atm). Mientras dura la fusión, la temperatura semantiene constante. Todos los líquidos, suficientemente enfriados, acaban soli-dificándose a la misma temperatura a la que funden. Igualmente, mientras durala solidificación, la temperatura se mantiene constante.

Evaporación-condensación El paso de líquido a gas se denomina evaporación y el inverso, condensación.Los líquidos pueden evaporarse a cualquier temperatura aunque sólo en lasuperficie del líquido; cuando tiene lugar en toda la masa del líquido, decimos

que éste hierve, esto sólo se produce cuando se alcanza la temperatura de ebu-llición.

Toda sustancia hierve a una temperatura determinada; es lo que se denomina tem-peratura o punto de ebullición. Mientras dura la ebullición,toda la energía suministrada se invierte en realizar el cambiode estado y la temperatura se mantiene constante. Un aumen-to de presión sobre el líquido eleva la temperatura de ebulli-ción y un descenso, la disminuye.

Los puntos de ebullición, al igual que los de fusión, sonpropiedades características de cada materia y permite identi-ficar las sustancias.

SublimaciónEs el cambio de estado directo de sólido a gas sin pasar por elestado líquido. Algunas sustancias realizan este proceso:el yodo, la naftalina, el ácido benzoico, etc. El paso inverso seconoce con el nombre de sublimación regresiva o cristaliza-ción. El proceso de sublimación se utiliza para purificar sus-tancias.

Evaporación de agua en un géiser(líquido a gas)

Cerveza

Líquido

Los estados de la materia y sus cambios. En este diagrama se observan los estados de la materia y los diferentes cambios de estado, directos e inversos,

así como algunos ejemplos de cada uno de ellos. El yodo sublima adoptando una coloración violeta, el chocolate se funde

al calentarse, los géiseres despiden agua caliente y vapor, etc. En el proceso directo se absorbe calor, mientras que al revés,

si enfriamos, se produce la escarcha, un vaso empañado o la solidificación de un caramelo.

Temperatura de evaporación

Es la cantidad de energía que se necesita paraevaporar 1 kg de masa de un líquido a una pre-sión determinada. En la condensación del vapor

se desprende la misma cantidad de calor. En elcaso del agua el calor de evaporación (cv) es de2.245 kJ/kg.

química • la Materia

� MEZCLAS

La materia que se encuentra en lanaturaleza se presenta, generalmen-te, en forma de mezcla de sustancias:las rocas contienen minerales; el aireque respiramos es una mezcla de gases,oxígeno y nitrógeno; y el agua que bebemostiene sales minerales disueltas. Las mezclasson, en muchos casos, indispensables para lavida: las raíces de las plantas captan el alimentode tierra previamente disuelto en agua, los alimentosque ingerimos se mezclan durante la digestión antesde pasar a la sangre, entre otros muchos casos.

Mezclas heterogéneasy homogéneasAl comparar dos porciones de granito se observa que pueden tener distintaspropiedades, detectables a simple vista, en cuanto a forma y color. En otroscasos, con la ayuda de una lupa o un microscopio se pueden ver las diferen-cias. Tanto en un caso como en otro se trata de mezclas heterogéneas, forma-das por sustancias distintas fácilmente separables. Por tanto, son mezclas hete-rogéneas el granito o el agua y la arena. En cambio, en una mezcla homogénea como el agua mineral, el agua del mar o el acero, no se distinguen sus compo-nentes; en toda su extensión se detectan las mismas propiedades. No es tan fácil separar sus componentes.

Métodos de separación • Filtración. Separación de un líquido

a través de un filtro o de un materialporoso, de un sólido insoluble, que quedaretenido en el filtro.

• Decantación. Consiste en la separaciónde los componentes de una mezclaheterogénea, agua y tierra, o de doslíquidos inmiscibles, como el agua y elaceite.

• Evaporación. Eliminación de un líquido, el agua, de unadisolución por efecto de la evaporación de sus partículasal calentarse.

• Cristalización. Aparición de un sólido en forma de cris-tales, por ejemplo sulfato de cobre, cuando el disolvente,agua, se ha evaporado lentamente.

• Sublimación. Separación de un sólido, como el yodo o elácido benzoico, de otras sustancias, generalmente impu-rezas.

• Destilación. Proceso que consiste en la evaporación de lasustancia que tenga el punto de ebullición más bajo yposterior condensación.

Estatuilla de bronce, que es una aleación o mezcla sólida de los metales.

El bronce, conocido desde la antigüedad, está formado por cobre y estaño.

Mezclaheterogénea líquidaformada por aceite y agua.Cuando se unen doslíquidos inmiscibles, el másdenso pasa a colocarsedebajo, el agua en estecaso y el menos densoencima, el aceite.

Materia que sesublima

Cristalización

La sublimación del yodo permite separarlo,

por una posterior cristalización por enfriamiento, de las impurezas o de otros sólidos,

como la arena, que no subliman.

722

Concentración de las disoluciones

Una disolución es diluida cuando hay poco soluto y es con-centrada si hay mucho. La concentración mide la cantidadde soluto que se encuentra en una cantidad determinada dedisolvente o disolución.

• Porcentaje en peso. Indica la masa de soluto en 100 g de disolución.

• Porcentaje en volumen. Indica la relación en-tre volúmenes, por ejemplo: el aire contiene un 20 % de oxígeno.

• g/L. Indica la masa de soluto que hay en 1 litrode disolución.

• moles/dm3. Indica el número de moles de solutoque hay en 1 litro de disolución.

� DISOLUCIONES

Los materiales homogéneos, según su comportamien-to frente a los cambios de estado, pueden ser disolu-ciones o sustancias puras. Cuando no se observa nin-guna variación, estamos frente a una sustancia pura, ytal cómo se comporte ante el calor y la electricidadpuede ser simple o compuesta: si se descompone enotras más sencillas, la llamaremos compuesto; en elcaso contrario, la llamaremos elemento.

Una disolución está formada por el disolvente, sus-tancia que disuelve, generalmente el agua, y el soluto,sustancia que se disuelve, como una sal o el alcohol.Sustancias como el cloruro de sodio, el nitrato de platao el alcohol son solubles en agua, mientras que otrascomo la arena o el azufre son insolubles. La solubili-dad de una sustancia es la cantidad máxima de solutoque se disuelve en una cantidad de disolvente, 100 g

de agua, y depende de la temperatura. Las curvas de solubili-dad muestran la variación de esta propiedad específica con latemperatura.

química • Estados Físicos de la Materia

Can

tidad

en

g de

sus

tanc

ia d

isue

lta e

n 10

0 g

de a

gua

Nitr

ato

depo

tasio

Sulfa

tode

cobre

hidra

tado

Cloruro de sodio

Sulfato de potasio

t °C

Un mol contiene 6,02 · 1023 partículas, tal quesu masa equivale a la masa atómica o molecularexpresada en gramos. Así:

• 1 mol de moléculas de agua contiene 6,02 · 1023 moléculas y pesa 18 gramos.

• 1 mol de átomos de hierro contiene 6,02 · 1023 átomos y pesa 56 gramos.

� CONCEPTO DE MOL

Se ha calculado que en un gramo de agua hay3,3 · 1022 moléculas; en un gramo de hierro,1,1 · 1022 átomos, y en un gramo de gas hidró-geno, 6,02 · 1023 moléculas. Por este motivo, alser los átomos y las moléculas constitutivos deelementos y compuestos tan pequeños, se hacenecesario definir una unidad mayor, el mol, quepermita realizar medidas comparativas de masa.

No siempre podemos disolver todo el soluto quequeramos. En estos dos vasos de té, uno tiene

disuelto dos terrones de azúcar sin que se aprecieen el líquido; en el otro, con más terrones,

el exceso de azúcar precipita al fondo.La concentración de las disoluciones es variable

pero limitada. La saturación es el máximo que podemos disolver de un soluto

en un disolvente.

723

En el diagrama se muestra el comportamientoen agua de diferentes compuestos químicos,en función de la temperatura.

química • Clasificación Periódica

Tabla Periódica de los Elementos

En la antigüedad se conocían sólo unos pocoselementos: oro, plata, cobre, hierro, plomo, estaño, mercurio, azufrey carbono. Entre los siglos XVIII y XIX se descubrieron la mayoríade los elementos que conocemos. Desde muy antiguo se tuvo lanecesidad de representar las sustancias de una manera simbólica.

Los alquimistas fueron los primeros en utilizar símbolos.Actualmente, cada elemento se representa con un símbolo químicoque consiste en una o dos letras: O, oxígeno; Fe, hierro; Na, sodio;

He, helio, etc., procedente del nombre originario.

� CLASIFICACIÓN PERIÓDICADE MENDELEIEV

Tras varios intentos de ordenar y clasificarlos elementos en base a sus propiedades, sesabe que hay elementos muy activos, comoel sodio o el flúor, y otros inertes, los gasesnobles. En 1869, Lothar Meyer, químico ymédico alemán, y Dimitri Mendeleiev, quí-mico ruso, establecieron por separado unaordenación sistemática de los elementos,de la que se deriva la actual tabla periódica.Mendeleiev ordenó los 63 elementos cono-cidos en su época en función de sus pesosatómicos y encontró una periodicidad en larepetición de las propiedades. Su ordena-ción se basó en tres criterios:

• Estableció diecisiete períodos, unos cor-tos y otros largos, tal que la repetición delos elementos o período no fijo sinovariable; a los elementos con propieda-des parecidas los situó en un mismogrupo o familia.

• Invirtió el orden en algunos pares de ele-mentos como el teluro Te (128) y el yodo I (127).

• Dejó espacios vacíos después del silicio yantes del estaño y predijo la existenciay las propiedades de nuevos elementos.

Su predicción resultó un acierto al des-cubrirse el galio con posterioridad.

La familia de los halógenos: flúor,cloro, bromo y yodo; tienen en comúnel que sus átomos poseen sieteelectrones en la última capa, por esoson muy reactivos y tienden a adquirirel octavo electrón que les confiere la estabilidad propia de los gasesnobles. Superposición del orbital s y de los tres orbitales p del átomo de cloro.

Electronesexternos

Símbolo del elemento

NombreMasaatómica

Númeroatómico

724

Flúor (F)9 electrones Cloro (Cl)

17 electrones Bromo (Br)35 electrones

química • Tabla Periódica de los Elementos

Tabla periódica de los elementos. Se hallan ordenados por su número atómico y agrupados en familias o grupos. Se distribuyen en siete períodos, tal que cada elemento esté situado en la columna que corresponda a los elementos afines o de propiedades similares.

• Gases nobles. Tienen el último nivel electrónicocompleto de 8 electrones. Son químicamenteinertes y sus moléculas son monoatómicas:helio, neón, argón, kriptón, xenón y radón.

• Elementos representativos. Son los que vanllenando el último nivel, desde los alcali-nos, grupo I (sodio, potasio), a los halógenos,grupo VIIA (flúor, cloro, bromo, yodo).

• Elementos de transición. Son metales y vanllenando el penúltimo nivel electrónico.Los más significativos son hierro, oro y cobre.

• Elementos de doble transición o tierras raras.Aún no han completado el antepenúltimonivel electrónico: uranio, plutonio.

� TABLA PERIÓDICA MODERNA

En la tabla periódica moderna, la ordenación sehace en función del número atómico. La inver-sión de Mendeleiev fue un acierto puesto que elteluro (Z = 52) va antes que el yodo (Z = 53).Actualmente se conocen 115 elementos de loscuales 90 se encuentran en la naturaleza y los res-tantes son artificiales incluso efímeros por su ines-tabilidad.

Existe una relación entre la configuraciónelectrónica de la última capa o nivel de los áto-mos y la posición de los elementos en la tablaperiódica.

Así, los elementos de la tabla pueden dividir-se en cuatro categorías:

725

� PROPIEDADESPERIÓDICAS

Algunas de las propiedades perió-dicas más importantes son:

• Radio atómico. En general, au-menta hacia abajo de un grupoy disminuye de izquierda a de-recha.

• Energía de ionización. En ge-neral, aumenta hacia la derechay hacia arriba de la tabla perió-dica.

• Afinidad electrónica. Sigue elmismo orden que la energía deionización con la salvedad de losgases nobles, que no tienen afi-nidad.

• Electronegatividad. Sigue elorden de la afinidad y de la ener-gía de ionización. El elementomás electronegativo es el flúor,valor de la escala 4; y el menos, elcesio, valor 0,7.

• Carácter metálico. Un elementoes más metálico cuanto más a laizquierda y más hacia abajo sehalle. El cesio es el más metáli-co y el flúor, el menos.

química • Enlace Químico

Concepto de EnlaceEn la naturaleza, los elementos simples como el oxígeno o el nitrógeno,

formados por moléculas diatómicas, un trozo de hierro que contienetrillones de átomos unidos entre sí, los compuestos como el agua,

formada por moléculas que contienen dos átomos de hidrógeno y unode oxígeno, o estructuras más complejas como el azúcar o los

hidrocarburos, disponen de átomos que se encuentran unidos entre sí.Raramente encontraremos átomos aislados, excepto en los gases nobles

debido a la configuración de ocho electrones en la última capa, hechoque les confiere estabilidad y por el que no necesitan ninguna

combinación. En cambio, cuando los otros elementos se combinan,éstos tienen tendencia a parecerse a los gases nobles.

Para que un enlace sea estable, tienenque darse dos condiciones:

• Que los átomos de los elementosque intervienen adquieran la con-figuración estable de ocho electro-nes en su última capa electrónica.

• Que el contenido energético resultan-te disminuya respecto de los átomos ais-lados. En un enlace se libera energía, llama-da energía de enlace, y cuanta más energía se ceda,más fuerte será el enlace.

� TIPOS DE ENLACES

Los elementos se dividen en metales y en no metales. El sodio, el calcio y el hierro sonmetales, mientras que el cloro, el carbono y el azufre son no metales. La característicaquímica de los metales es que tienden a perder electrones, es decir, que son electro-positivos, y la de los no metales es que tien-den a ganarlos, es decir, que son electrone-gativos.

Podemos establecer tres tipos de enlacessegún los elementos: enlace iónico, si seproduce entre un metal y un no metal; enla-ce covalente, entre no metales; enlace metá-lico, entre metales.

Enlace iónico

Se produce entre un metal y un no metal, comoel cloruro de sodio.

El sodio, que tiende a perder un electrón, seconvierte en el catión sodio y el cloro, que tiendea ganarlo, se convierte en el anión cloruro; ambosse unen mediante fuerzas electrostáticas y formanel cloruro de sodio, NaCl. El enlace iónico se produce por la atracción electrostática entreiones.

Los compuestos resultantes son sólidos, solu-bles en agua, duros, frágiles y conducen la electri-cidad cuando se encuentran disueltos o fundidos.

Globos que contienen helio. Es un gas noble, estable, inerte y más ligero que el aire. Los gases nobles son los elementos de referencia al quequieren parecerse los elementos al reaccionar.

Enlace iónico entre el cloro y el sodio para dar cloruro de sodio.

El cloro tiende a ganar un electrón, se convierte en un anión y el sodio

a perderlo, se convierte en un catión.

726

Estructura macromolecular del cuarzo. El enlace covalente se realiza entre un átomode silicio y cuatro de oxígeno, pero comocada oxígeno se une a su vez con otro átomode silicio, ramificándose el enlace, es como sise hubiera unido con la mitad, es decir condos. El cuarzo es muy duro, con puntos defusión y ebullición muy altos.

Cristal cúbico iónicodel cloruro de sodio.La estructura semantiene unida por lasfuerzas electrostáticasde los iones que sedisponen en los vérticesde la red cristalina, uno de cloro y otro de sodio,alternativamente.

727

química • Concepto de Enlace

Enlace metálicoLos átomos de los metales tienden a unirse entre síformando estructuras gigantes tridimensionalesdenominadas redes cristalinas. Este modelo explicala conductividad eléctrica en los metales y el hecho deque sean maleables y dúctiles. Asimismo, son sólidos conelevados puntos de fusión y ebullición. Son metales el sodio, elhierro o el oro.

Enlace covalente

Se produce entre no metales. Las moléculas de hidró-geno, de oxígeno, de nitrógeno y del agua son ejem-plos de enlace covalente en el que cada átomo aportaun electrón, obteniéndose un par de electrones com-partidos, es decir, que forman parte tanto de un átomo

como del otro. En el caso del hidrógeno se produce unenlace simple; en el oxígeno, un doble enlace, es decir,

dos pares de electrones compartidos, y en el nitrógeno, untriple enlace, esto es, tres pares de electrones compartidos. Enlas moléculas formadas por átomos diferentes como el agua,H2O, o el cloruro de hidrógeno, HCl, el par de electrones delenlace se decanta hacia el elemento más electronegativo, esdecir, el que más capacidad tiene de atraer electrones; en estecaso, decimos que el enlace es polar.

Enlace covalente heteronuclear entre el cloro y el hidrógeno. Se realiza a través de un par de electrones entre amboselementos, cada elemento aporta unelectrón. De esta forma el cloro acabateniendo ocho electrones en la última capay se parece al gas noble argón, y el hidrógeno con dos electrones adoptala configuración externa del gas helio.

Enlace covalente homonuclear del nitrógeno. La molécula resultante posee

tres enlaces que le confieren una granestabilidad, que explica que no reaccione

fácilmente con ningún otro elemento, aunque el 80 % del aire sea nitrógeno.O

Si

ClNa

Electrón

H

Cl

química • Formulación Inorgánica

Valencia y Númerode Oxidación

Para formular compuestos es necesario conocer lavalencia o número de oxidación de los elementos que

intervienen. La valencia de un elemento es lacapacidad que tiene un átomo de este elemento para

combinarse con otro átomo. Su valor depende del grupo de la tabla periódica en donde se encuentre

el elemento. El número de oxidación de un elemento es la carga que adquiere un átomo de este elemento si los electrones del enlace

se asignan al elemento más electronegativo.

� COMPUESTOS BINARIOS

Son compuestos formados por la unión dedos elementos. Para formularlos se colo-ca el elemento más electronegativo a laderecha y el más electropositivo a laizquierda, excepto algunos casos par-ticulares como el amoníaco, NH3; seacompañan de unos subíndices querepresentan las valencias de los elemen-tos. Para nombrarlos, primero se escribeel nombre del elemento más electronegativoacabado en uro, excepto los óxidos que acabanen ido, y a continuación el más electropositivo. Amodo de ejemplo: HCl es el cloruro de hidrógeno.En algunos casos tienen nombre propio: H2O, agua.

Si un elemento tiene más de una valencia, esdecir, que puede formar más de un compuesto, éstosse pueden nombrar:

• Mediante la notación de Stock; se indicaentre paréntesis la valencia en números romanos.

• Con los prefijos mono (se omite), di, tri,tetra, penta, hexa.

Los compuestos binarios más importantesson los óxidos (oxígeno), hidruros (hidróge-no), haluros (halógenos F, Cl, Br, I) y sulfu-ros (azufre).

El HF, HCl, HBr y HI son compuestosbinarios que tienen propiedades ácidas endisolución acuosa; por eso se denominan:ácido fluorhídrico, clorhídrico, bromhídri-co y yodhídrico.

Tizas de colores.Son variedades de yeso, mineralformado por el compuesto sulfatode calcio dihidratado.

Formación del cloruro

de sodio, la salcomún. Mientras

que el sodio tiendea perder el electrón

de la última capa, seconvierte en un catión, el cloro

tiende a ganarlo y así completarsu último nivel electrónico,pasando de siete a ocho

electrones, y se convierte en unanión. Finalmente los iones se

unen electrostáticamente.

Hematites rojasóxido de hierro (III)

Fe2O3

Forma estructural del óxido de hierro (III). El hierro actúa

con valencia tres y realiza tresenlaces, y en cambio el

oxígeno, con valencia dos, sólorealiza dos enlaces. Por eso se necesita otro átomo más

de hierro y dos de oxígeno paraequilibrar las uniones.

NaCl

Pasa un electrón

Cloro Cl– Sodio Na–

728

Sal común

química • Valencia y Número de Oxidación

Estructura de una oxosal, el sulfato de calcio, el componente del mineralyeso. Poco soluble en agua. Se utiliza para fabricar cementos, yesos y en la obtención de la cal.

Diferentes moléculas de algunosoxoácidos: lineales como el ácido

hipocloroso, el hiposulfuroso, planas, como el ácido sulfuroso, o el

clórico y espaciales tetraédricas, como el ácido sulfúrico.

Ácido hipocloroso

Ácido hiposulfuroso

Ácido cloroso

Ácido sulfuroso

Ácido clórico

Ácido sulfúrico

729

� COMPUESTOS TERNARIOS

Hidróxidos Son compuestos que contienen oxígeno, hidrógeno y un metal.Su fórmula general es Me(OH)val. Se nombran anteponiendo el prefijo hidróxido al nombre del metal y, entre paréntesis, lavalencia indicada en números romanos si tiene más de una:Sn(OH)4, hidróxido de estaño (IV).

Oxoácidos Los oxoácidos están formados por un no metal (o un semi-metal: Cr y Mn), el oxígeno y el hidrógeno. Su fórmulageneral es HaX bOc. Se nombran:

• Valencia más pequeña, de tres:ácido hipo (nombre del no metal) + oso.

• Valencia mediana o la más pequeña de dos:ácido (nombre del no metal) + oso.

• Valencia grande o única:ácido (nombre del no metal) + ico.

• Valencia superior de cuatro posibles:ácido per (nombre del no metal) + ico.

Algunos ácidos tienen una molécula más de agua como el ácido fos-fórico, H3PO4. También pueden tener dos átomos del elemento nometálico: H2S2O7, ácido disulfúrico.

Oxosales Son compuestos que derivan de la unión entre un oxoácido y un hidróxi-do. Su fórmula general es Mea(X bOc)val, en donde a es el número dehidrógenos sustituidos del oxoácido y val es la valencia del metal. Si esposible se simplifica. Se nombran sustituyendo en el oxoácido la termi-nación oso por ito e ico por ato y acabando con el nombre del metal; entreparéntesis se sitúa la valencia si tiene más de una: Fe2(CO3)3, carbonatode hierro (III).

� LEY VOLUMÉTRICA DE GAY-LUSSAC

El estudio de los gases realizado hacia 1808 porGay-Lussac permitió establecer que, cuandodos o más gases reaccionan, los volúmenes enque se combinan mantienen una proporción fijasiempre que la presión y la temperatura sean lasmismas. De esta experiencia sabemos que dos volúmenes de hidrógeno reaccionan con un volumen de oxígeno para dar agua vapor.

Avogadro estableció una hipótesis de estaley, comprobada posteriormente, en la que afir-ma que gases que ocupan el mismo volumencontienen igual número de moléculas siempreque la presión y la temperatura sean las mismas.

química • Reacciones Químicas

Cuando se quema azufre en presencia de oxígeno, se forma un compuesto gaseoso: el dióxido de azufre. Si colocamos unas limaduras de hierro en un tubo de ensayo que contenga ácidosulfúrico, observaremos que desprende unasburbujas de gas, que son de hidrógeno;las limaduras han desaparecido y en su lugartenemos un líquido verdoso. Éstos son ejemplosde reacciones químicas; en todas ellas desaparecenlas sustancias iniciales, reactivos, y se creansustancias nuevas, productos de la reacción.Dicho de otro modo, las propiedades de los productos no tienen nada que ver con laspropiedades de los reactivos.

� LEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS

La diferencia entre mezcla homogénea, aguamineral, y compuesto químico, agua destilada,es que las proporciones de una mezcla son varia-bles; en cambio, las proporciones en que los ele-mentos forman un compuesto siempre son las

Concepto de Reacción

Oxígeno 1 volumenAgua 2 volúmenes

Hidrógeno 2 volúmenes

� LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA

La química debe su categoría de ciencia experimental a AntoineLavoisier. A finales del siglo XVIII realizó múltiples y sistemáticas medi-ciones con la balanza, obteniendo resultados cuantitativos sobre las reacciones químicas y llegando a laconclusión de que en toda reacción la masa final ha de ser la misma que la inicial; esto era difícil de medir en aquellas reacciones en las que intervenían gases.

Oxígeno

16 g

Proporción = 1 g H : 8 g O

2 g 18 g

Hidrógeno Agua

En la formación del agua,realizada a partir de 2 g

de hidrógeno y 16 g de oxígeno, se obtiene 18 g de agua.

La masa se conserva tal comodemostró Lavoisier.

mismas, fijas y definidas. De esta ley, enunciadapor Proust en 1801, deriva el hecho de que poda-mos representar los compuestos con fórmulas: elcloruro de sodio es NaCl; el agua, H2O; el car-bonato de calcio, CaCO3.

La ley volumétrica de Gay-Lussac se cumple en laformación del vapor de agua. Se comprobó que dos

volúmenes de hidrógeno reaccionan con un volumen deoxígeno y se obtienen dos volúmenes de vapor de agua.

730

� ECUACIONES QUÍMICAS

Las reacciones se plaman medianteecuaciones en las que las fórmulas ylos símbolos representan a las sustan-cias; asimismo, se indica el estado físi-co mediante s (sólido), l (líquido), g(gas) y aq (disolución acuosa); la ecua-

ción se iguala en número de átomos para conservar la masa.Los números que acompañan a las sustancias reciben el nombre de coeficientes estequiométricos ysimbolizan átomos, moléculas o moles de átomos o moléculas.

química • Concepto de Reacción

� TIPOS DE REACCIONES

A continuación se explican algunos tipos dereacciones químicas:

• Reacciones de síntesis. Se forma un compues-to a partir de sus elementos, por ejemplo, lasíntesis del agua:

2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g)

• Reacciones de análisis. Se obtienen los ele-mentos a partir de un compuesto, por ejem-plo:

2 NH3(g) = N2(g) + 3 H2(g)

• Reacciones de descomposición. Son reaccio-nes en las que un compuesto se divide en otrosmás simples, por ejemplo, la descomposiciónde los carbonatos en el óxido metálico y dió-xido de carbono:

CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g)

La descomposición del carbonato de calcio por efecto del calor, conduce a la obtención de

dióxido de carbono, gas que se puede recoger en la parte superior del tubo

de ensayo. En el tubo de ensayo quedará óxido de calcio, la llamada cal viva.

731

Agua

CO2

CaCO3

H2SO4 H2

Zn

CaCO3 + calor = CaO + CO2

Producto inicialProducto final

Sustitución

H2SO4 + Zn ➞ ZnSO4 + H2

Nomenclatura de una reacción química.

• Reacciones de combustión. Al combinarse unasustancia, como carbón, madera o petróleo,con el oxígeno, se libera calor.

Por ejemplo:

C(s) + O2(g) = CO2(g)

• Reacciones de sustitución. Tienen lugar cuan-do un ácido reacciona con un metal, por ejem-plo:

H2SO4(aq) + Zn = ZnSO4(aq) + H2(g)

La reacción del ácido sulfúrico con el metal cinc es muyactiva y se obtiene, además de cloruro de cinc disuelto, gashidrógeno que se libera y se recoge en la parte superior del tubo, y se desprende calor.

Tipo de reacción

Símbolos de los elementos

Indicación de estado físicoIndicación de molécula

Coeficientes estequiométricos

química • Termoquímica

Todas las reacciones químicas van acompañadas de unavariación energética. Si colocamos un trozo de cinc enun tubo de ensayo y añadimos ácido clorhídrico,

podremos notar que el tubo se calienta al tocarlocon la mano. Esta reacción se dice que es

exotérmica, es decir, que desprende calor.Son reacciones exotérmicas las decombustión. En realidad, la única finalidadde estas últimas es la obtención de energíacalorífica. No obstante, otras reaccionesnecesitan calor para poder realizarse, sonreacciones endotérmicas

Si mezclamos arena y aluminio o harinacon tierra no se observa ninguna variación

energética; en este caso, se trata de mezclas.Ésta es precisamente una de las diferencias

entre una sustancia pura obtenida de unareacción química o de una mezcla, es decir, que

en esta última es posible que no exista intercambioenergético, mientras que en una reacción siempre hay un balance de energías. Esto es así porque serompen enlaces químicos y en ellos se libera o se absorbe energía.

� APLICACIONES DE LA ENERGÍA LIBERADA

Si bien la energía que interviene en una reacciónquímica es variada, la más importante es la calo-rífica. La combustión de gases como el metano,el butano o el propano conduce a la formaciónde dióxido de carbono y agua y de una gran can-tidad de calor.

Si se añade cinc a una disolución de sulfato decobre, el color de la disolución, que inicialmenteera azul, se vuelve transparente y el metal se recu-bre de una capa rojiza del cobre que se va deposi-tando; mientras el cinc se disuelve, se están inter-cambiando electrones del cinc al catión cobre.Éste es el fundamento de una pila y por tanto dela producción de energía eléctrica:

CuSO4(aq) + Zn(s) = ZnSO4(aq) + Cu(s)

Asimismo, la energía eléctrica puede provocarreacciones como la electrólisis. Por ejemplo, deuna disolución de cloruro de cobre: se colocanunos electrodos de grafito en un vaso que con-tenga una disolución de CuCl2 y se observa que,

Energía de las Reacciones Químicas

Reacción exotérmica. Al hacer reaccionar ácido clorhídrico con un metal como el cinc, además de obtener cloruro de cinc y gas hidrógeno, se libera energía en forma de calor que se puede medir con el termómetro.

Espitacerrada

Espitaabierta

H2

Desprendimientode calor

Zn

ZnCl2

HCl

Las disoluciones de sulfato de cobre, de color azul, seconvierten en transparentes si introducimos un trozo decinc. El cinc se disuelve en la disolución, obteniéndose

sulfato de cinc y en la barra se deposita cobre metálico, queadquiere tonalidad rojiza.

al conectar la corriente, se desprenden unas bur-bujas de gas cloro en el polo positivo, ánodo, yse deposita cobre de color rojo en el polo negati-vo, cátodo.

732

CuSO4 ZnSO4

Zn

Zn2+ Cu

Inicio Final

� CALOR DE REACCIÓN

La energía liberada o absorbida en una reacción depen-de del estado físico de los reactivos, de sus concentra-ciones y de las condiciones en que se realiza, es decir, apresión o a volumen constante. Llamamos calor dereacción a la cantidad de energía absorbida o despren-dida para un mol de sustancia a 1 atm de presión y a 25 °C. Si la reacción se hace a presión constante, el calorde reacción recibe el nombre de entalpía. Se mide enkJ/mol.

Se denomina calor de formación a la energía queinterviene en la formación de un mol del compuesto a1 atm y a 25 °C a partir de sus elementos en su estadomás estable.

Se denomina calor de combustión a la energía libe-rada a 1 atm y a 25 °C en la combustión de un mol deun compuesto.

Vaporde agua(H2O)

Carbón al rojo

CO

H2

química • Energía de las Reacciones Químicas

� ESPONTANEIDADDE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Los procesos naturales como la caída de una piedra o la degrada-ción de la energía al convertirse en calor son irreversibles espontá-neamente; esto significa que no hay posibilidad de volver a elevarla piedra si no es de forma forzada. Todos estos ejemplos indicanque, en el Universo, los procesos naturales tienden al mínimo deenergía, a las reacciones exotérmicas y al máximo desorden. Lamagnitud que mide el desorden se denomina entropía. La com-bustión es una reacción muy exotér-mica y es el ejemplo más clarode espontaneidad: los produc-tos que se obtienen son gases,

que son más desor-denados.

Cristalesde sulfatode cobrehidratado.El color azul

es característico de las disoluciones

de cobre, y cuanto más intenso más cobre.

Vaporde agua(H2O)

Carbón en frío

Vapor de agua(H2O) rebotado

Agualíquida

Calor de evaporización

733

Vapor de agua

Hielo(agua sólida)

Calor de fusión

Para que haya un cambio de estado se necesita energía. Así, la del paso de sólido a líquido se llama calor de fusión,

y para el agua equivale a 335 kJ/kg. Y para evaporar unlíquido se necesita el calor de vaporización, energía que para elcaso del agua vale 2.257 kJ/kg. El agua es un compuesto que

coexiste a la vez en la naturaleza en sus tres estados.

Reacción endotérmica. Al hacer reaccionar carbón encaliente con vapor de agua a presión, se produce lareacción de obtención de monóxido de carbono ehidrógeno. Esto es lo que se observa en el cuadroinferior, pero en el superior no hay reacción, puesto queel trozo de carbón está a temperatura ambiente.

734

química • Cinética Química

Las reacciones químicas tienen lugarcon velocidades distintas: unas son más rápidas, otras más lentas y otras inapreciables. Un clavo de hierro a la intemperie se oxida muylentamente en contacto con el oxígenodel aire. Un trozo muy pequeño desodio en contacto con el agua produceuna reacción muy rápida, muy exotérmicay explosiva.

La velocidad de reacción mide la rapidez conque desaparece un reactivo o aumenta un producto, es decir, es ladisminución (en los reactivos) o el aumento (en los productos) de la concentración en una unidad de tiempo. Se mide en moles · dm–3 · s–1.

Una manzana cortada y dejada a la intemperie adquiere al cabo de un

rato un color oscuro como consecuencia de la oxidación que sufre.

El proceso es lento pero apreciable.

Velocidad de Reacción

� TEORÍA DE LAS COLISIONES

Las partículas de las sustancias chocan entre sí al reaccio-nar. Para que un choque sea eficaz, es decir, que conduzca a

una reacción, tienen que romperse enlaces y crearse nuevos.Esto no siempre es posible. Los choques eficaces son aquellosque se producen en la dirección del enlace y que tienen la

energía de activación adecuada para romperlo.Por ejemplo, las moléculas de un papel están en con-

tacto con el aire y éste no se quema; basta con aproxi-mar fuego a un extremo para activar la reacción y queésta continúe de forma espontánea e irreversible.Un incremento de temperatura permite superar esta

energía de activación ya que aumenta la energía cinéticade sus partículas.

Los reactivos, hidrógeno H2 y yodo I2 en este caso, deben chocar entre sí, tal que la dirección del choque comporte la ruptura de los enlaces iniciales, para así crear enlaces nuevos y nuevas sustancias.

Si esto no sucede, el choque es puramente físico, químicamente ineficaz.Las partículas rebotan y se mantienen igual.

Choque ineficaz Choque eficaz

I2 HI2

HI + HI

I2 HI2H2 + I2

La velocidad de reacción de los reactivos disminuye con el tiempo,puesto que cada vez hay menos cantidad, en cambio la de la reacción inversaaumenta. Podría alcanzarse un valor constante, pero entonces estaríamosdelante de una reacción reversible.

Velocidad

Productos

Reactivos

Tiempo

H2 H2

química • Velocidad de Reacción

� FACTORES QUE INFLUYENEN LA VELOCIDAD DE REACCIÓN

• La naturaleza de las sustancias reaccionantes. No reaccio-nan del mismo modo el hierro a la intemperie, una lámi-na de oro, que resiste mejor la oxidación, o el sodio, quetiene que conservarse en benceno para evitar el mínimo rocecon el oxígeno del aire.

• La superficie de contacto. Mientras un clavo de hierro tarda untiempo en reaccionar con ácido clorhídrico, unas limaduras dehierro con el mismo ácido reaccionan mucho más rápidamente.Las limaduras presentan más superficie de contacto que el clavo.

• La concentración de los reactivos. Si la concentración es más ele-vada, la cantidad de partículas del reactivo es mayor en un mismovolumen y, por tanto, la velocidad más alta.

• La temperatura. Un incremento de la temperatura facilita unaumento de la energía cinética de las partículas y, en consecuen-cia, más eficacia en los choques.Aproximadamente, a cada 10 °C deincremento de temperatura, la veloci-dad se duplica.

• Los catalizadores. Son sustancias que aumentan o disminuyen la velocidadde reacción. Intervienen en pequeñas cantidades y se recuperan al final del

proceso. Algunas reacciones no se producen en la oscuridad pero, en cam-bio, en presencia de luz son muy rápidas, como la transformación del

nitrato de plata en plata metálica negra, que es la base de la fotografía.En los procesos biológicos, los catalizadores se llaman enzimas.

En el gráfico se observan las diferentes fases de una reacción.Al principio los reactivos A + B tienen una energía y los productosfinales C + D otra, la diferencia entre ambas es la energía de lareacción Er, pero para provocar la reacción se necesita activarla, es decir, se ha de suministrar la energía de activación Ea. Este procesose ha representado en color verde. Si se coloca un catalizador, la energía de activación será menor con lo que se agiliza el proceso;ello se ha representado en color azul.

Energía

Tiempo

735

Energía

Energía de activación

Calor dereacción

Productos

Tiempo

Reactivos

El sodio es un ejemplo deelemento muy reactivo, se oxidarápidamente. Así, al cortarlo, seobserva su lustre metálico, pero

inmediatamente se vaoscureciendo por oxidación.

En contacto con el agua,reacciona de forma muyexotérmica y explosiva.

Por ello se debe conservar enbenceno y en un recipiente

opaco a la luz.

En una reacción, se ha de suministrar la energía de activación para que se

produzca, aunque el proceso sea exotérmico. Esto sucede con la combustión, es necesario

encender una cerilla para quemar un trozo de papel, pero una vez iniciada

la combustión continúa de forma irreversible y espontáneamente.

En estos diagramas se observa que la concentraciónde los reactivos disminuye ya que se van agotando,

mientras que la de los productos aumenta. Si la reacción concluye, caso inicial, la curva continúa

su descenso en los reactivos y ascenso en los productos. Pero para las reacciones reversibles,aquellas en la que los productos reaccionan volviendo

al punto de partida, cuando las velocidades de ambos sentidos se igualen y se mantengan así,

se habrá alcanzado el equilibrio.

736

química • Cinética Química

Equilibrio QuímicoAlgunas reacciones se producen de forma total y absoluta, son reacciones irreversibles, tal comosucede al calentar el clorato de potasio, donde eloxígeno producido se difunde en la atmósfera y la reacción finaliza cuando todo el reactivo se ha consumido.Las reacciones de combustión en recipiente abierto sonreacciones irreversibles.

En cambio, en los procesos incompletos los productosobtenidos reaccionan a su vez dando nuevamente los reactivos; setrata de una reacción reversible donde la reacción continúa hastaque se alcanza el equilibrio.

La combustión es una reacción irreversible.

Cuando las velas se agoten se tendránque reponer para continuar

iluminando el lugar.

Concentración

Productos

ProductosReactivos

Tiempo Tiempo

ReactivosV1 = V2

Pipeta

Gota de ácidoclorhídrico

(HCl)

Cromato depotasio en agua

El hidróxido neutralizael ácido y la solución

vuelve al color originalLa solución toma uncolor anaranjado

Gota dehidróxidode sodio(NaOH)

Una reacción reversible se puede manifestar a través de cambios de color. Por ejemplo, el cromato de potasio, de color amarillo, en contacto con ácidoclorhídrico pasa a ser anaranjado, esto es porque se haformado dicromato de potasio. Pero si luego añadimos una base, hidróxido de sodio, la reacción revierte al punto inicial, el cromato de potasio de color amarillo.

Velocidad

� MODELO CINÉTICO

La velocidad de reacción decrece a medida quedisminuyen los reactivos, aunque al mismo

tiempo avanza la reacción contraria. Este proce-so seguirá hasta que las velocidades de ambos sen-tidos se igualen. En esta situación de equilibrio,las concentraciones se mantendrán constantes.Algunos ejemplos de equilibrio son:

• La formación de amoníaco a partir de sus ele-mentos, hidrógeno y nitrógeno:

N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g)

• La formación de yoduro de hidrógeno a par-tir de yodo e hidrógeno molecular:

I2(g) + H2(g) = 2 HI(g)

El equilibrio químico es la base de muchos proce-sos biológicos. La hemoglobina de la sangre se unereversiblemente con el oxígeno, permitiendo sutransporte hasta la célula en la que se liberará.

química • Equilibrio Químico

� CONSTANTESDE EQUILIBRIO

El estado de equilibrio se caracteriza porla reversibilidad del proceso, por el carác-ter dinámico que muestra la simultanei-dad de ambos sentidos, porque la con-centración de reactivos y productos semantiene constante en el tiempo, por pro-ducirse en un recipiente cerrado y poralcanzarse tanto desde un extremo comodesde el otro.

A partir de las velocidades de reacciónde ambos sentidos se obtiene una expresión constante que relacionalas concentraciones de productos y reactivos en el equilibrio; esta rela-ción es la constante de equilibrio y se designa por KC. En los gases seutilizan las presiones y la constante de presiones KP. Si el valor esgrande, indica que el equilibrio se desplaza hacia los productos; cuan-to mayor sea, más tiende la reacción a completarse, es decir, a ser irre-versible.

Los equilibrios heterogéneos son aquellos que están formados porsólidos puros o líquidos con gases o sólidos con líquidos. Por ejemplo,de la descomposición del carbonato de calcio en un recipiente cerrado aaltas temperaturas se obtiene dióxido de carbono, gas y óxido de calciosólido. En la constante de equilibrio no se incluyen ni los sólidos ni loslíquidos puros; en realidad, su concentración siempre es constante ycorresponde a su densidad.

Ley de Le Chatelier

La presión, la concentración y la temperatura son los tres fac-tores que determinan el equilibrio y

pueden modificarlo.La ley de Le Chate-

lier, publicada en 1885,afirma que, cuando enun sistema en equili-brio se produce unamodificación dealguno de los fac-tores que lo deter-minan, éste tiende

a contrarrestar elefecto desplazándose

hacia el sentido que loanule.

La oxidación del hierro porvapor de agua es un ejemplo

de equilibrio heterogéneo.Si calentamos hierro (chatarra)con vapor de agua se obtiene

óxido de hierro y gashidrógeno. Cuando sealcanza el equilibrio,

en el horno hay una mezcla de hierro

y de óxido y en la atmósferacircundante, vapor de agua e

hidrógeno. El equilibriodependerá de estos gases

y del volumen del recipiente.

Vapor de agua

Hierro(Fe) Hierro + Fe3O4

Estado inicial Estado final

Vapor de agua + hidrógeno

A 800 °C el carbonato se irádescomponiendo hasta que la presión del CO2 sea de 190 mmHg. Si se aumenta la presión en el recipiente, disminuyendo su volumen, la cantidad de carbonatodescompuesto disminuirá hasta que la presióndel CO2 vuelva a ser de190 mmHg.

Temperatura800 °C

CaCO3

CaCO3CaO

CO2

Presión760 mm Hg

Temperatura800 °C

Presión950 mm Hg

737

[NH3]2 [HI]2 [NO2]

2 P2NO2KC = ————— KC = ———— KC = –––––—– KP = ––––––

[N2] . [H2]3 [H2] . [I2] [N2O4] PN2O4

Los ácidos y las bases se conocen desde muy antiguo.Se puede establecer una serie de propiedades

para identificarlos y diferenciarlos.Así pues, las disoluciones acuosas de los ácidos

tienen las siguientes propiedades: un sabor agrio,como el vinagre, o el zumo de limón; son corrosivos

y reaccionan con los metales produciendo gashidrógeno; conducen la electricidad; cambian el color

de ciertos colorantes vegetales o indicadores;en consecuencia, una solución azulada de tornasol pasa a

ser de color rojo y al reaccionar con las bases, se neutralizansus propiedades. Por su parte, las disoluciones acuosas de las bases

tienen las siguientes propiedades: un sabor cáustico, como la sosa cáustica,y propiedades detergentes; precipitan muchas sustancias que los ácidos

disuelven; conducen la electricidad; cambian el color de los indicadores ensentido contrario a los ácidos; convierten en azul una solución roja

de tornasol, y al reaccionar con los ácidos, se neutralizan.

química • Cinética Química

Ácidos y Bases

Las propiedades ácidas se encuentran en la naturaleza.El limón, de sabor agrio, así como la naranja,contienen ácido cítrico.

Ion negativo

Ion positivo de hidrógeno

H+

El agua está poco ionizada y no es conductora, pero si se introduce un electrolito, como un ácido fuerte concentrado, la ionización aumenta y la disolución se vuelve conductora.

El pHSe puede saber si una disolución es ácida, básicao neutra mediante la medida del pH. Es unaescala numérica que va desde 0 (máxima acidez)a 14 (máxima basicidad), pasando por el 7, que

es el valor neutro. Los indicadores del pH sonsustancias que cambian de color de ácido a bási-co. El indicador universal va desde el rojo (pHácido) al azul (pH básico).

Ácido fuerteH2O

� REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN

En 1885 Arrhenius estableció su teoría de la disociación iónicade los electrólitos y explicó la conductividad eléctrica al afirmarque la materia está ionizada. Así, un ácido es una sustancia que,cuando se disuelve en agua, origina iones hidrógeno H+ y unabase es una sustancia que, al disolverse en agua, proporciona ioneshidróxido OH–.

Al producirse la ionización ácida en disolución acuosa, elcatión hidrógeno H+ se combina con el agua y forma el catiónhidronio, H3O

+. Éste se une al OH– procedente de la base y for-man agua:

H3O+ + OH– = 2 H2O

Ésta es la esencia de la reacción de neutralización, esto es, la de-saparición de los iones responsables de la acidez y basicidad.La parte aniónica del ácido y el catión metálico se unen formandouna sal. La sal resultante será una sustancia químicamente neutra,salvo excepciones.

Por ejemplo, al reaccionar el ácido clorhídrico, de propiedades fuertemente corrosivas, con la sosacáustica o hidróxido de sodio se obtiene el cloruro de sodio, la inofensiva sal común.

HCl + NaOH = NaCl + H2O

738

química • Ácidos, Bases y Reacciones de Precipitación

Reacciones de Precipitación

La propiedad que explica lasolubilidad es la energíareticular, que es la necesariapara romper la estructuracristalina de un compuestoiónico en sus iones en estado ga-seoso. La mayoría de las sales son solu-bles en agua, como el cloruro de sodio, peroexisten muchas sales cuya solubilidad es tanpequeña que, a simple vista, son prácticamen-te insolubles.

Se establece un equilibrio heterogéneo entre laparte disuelta, el máximo posible a esta temperatu-ra, y el sólido de forma que el producto de las con-centraciones de los iones disueltos es igual a una constante denominada producto de solubilidad:

KS. KS = [Cu2+(aq)] · [S

2–(aq)]

Así, cuanto menor sea el KS, menos iones estarándisueltos, es decir, más insoluble es el compuesto.

Los hidróxidos y los carbonatos insolubles se pue-den disolver con un ácido.

En cuanto a los compuestos más insolubles, comolos sulfuros, si no es posible disolverlos con un ácidofuerte, se recurre a la formación de estructuras máscomplejas y solubles en agua.

Agua

Ion positivoRuptura de los enlaces

Medio acuoso

Cristal de cloruro sódico, iónico

Agua

� PRODUCTODE SOLUBILIDAD

El proceso de disolución del cloruro de sodio, la sal común,

tiene lugar cuando las moléculas polares del aguarodean al ion correspondiente

y lo separan de la red cristalina. La energía aportada por el agua

ha de superar la energía reticular, si no fuera así no habría disolución. Los iones

del disolvente se orientan tal que disponen la parte negativa del dipolo, la del oxígeno,

hacia el catión salino mientras que el ion negativo del cristal salino

queda rodeado de las moléculas de agua por su parte positiva, es decir, de los hidrógenos.

739

Ion negativo

Muchos fenómenos originan un sólido en elseno de un líquido:

• El aumento de soluto en una disoluciónsaturada.

• La eliminación del disolvente por evapora-ción que aumenta la concentración hastasuperar la saturación.

• La introducción de otra disolución quecontenga un ion común con el soluto.

• La introducción de otra disolución que tenga un ion que reaccione con otro ion de la primera disolución y que conjuntamente formen una sustancia poco soluble.

• La variación de la temperatura.

Las disoluciones transparentes de yoduro depotasio y nitrato de plomo, al mezclarse, se

vuelven de color amarillo intensocorrespondiente al sólido formado,

el yoduro de plomo, que tiende a precipitar hacia el fondo

del vaso. A este proceso se le denomina «lluvia de oro».

Ruptura de los enlaces

La palabra oxidación nos es muy familiar cuandodecimos que el hierro se ha oxidado.Tradicionalmente asociamos la oxidación con lacombinación de un elemento con el oxígeno:

Fe + O2 = FeOC + O2 = CO2

El proceso contrario, es decir, la liberación deoxígeno, se denomina reducción, como cuandose combina con el hidrógeno:

FeO + H2 = Fe + H2O

Si se añaden clavos de hierro a una

disolución de sulfato de cobre, de color azul, al cabo de un tiempo se

observa que la disolución sevuelve transparente y los clavos se

van disolviendo y adquieren un color rojizo propio del cobre.

química • Cinética Química

Reacciones de Oxidación-Reducción

� CONCEPTOS DE OXIDACIÓNY DE REDUCCIÓN

En realidad, la oxidación no sólose produce con el oxígeno, ni lareducción consiste sólo en laliberación de oxígeno. El hie-rro también se oxida cuandose combina con el cloro; ental caso, se obtiene cloruro dehierro (III). En el caso de laformación de yoduro dehidrógeno a partir de yodo yde hidrógeno, el elementoque se oxida es el hidrógeno.En estos ejemplos no intervie-ne el oxígeno. En consecuencia,decimos que un elemento se oxidacuando pierde electrones de formaparcial (enlace covalente) o total (enlaceiónico):

Fe = Fe2+ + 2 e–

y se reduce cuando gana electrones:

I2 + 2 e– = 2 I–

Los dos procesos tienen que producirse a la vez: reacciones deoxidación-reducción o re-dox. El oxidante es la sustancia que oxida a otra (le quita electrones) y, a su vez, se reduce (ganaelectrones); y el reductor es la sustancia que reduce a otra (lecede electrones) y, a su vez, se oxida (pierde electrones).

La oxidación implica pérdida de electronesy la reducción ganancia

de electrones.La sustancia que pierde electrones,

se oxida, es el reductor, como por ejemplo los metales y, la sustancia

que gana electrones, se reduce, es el oxidante,

como por ejemplo el oxígeno.

Agenteoxidante

Átomo oxidado(pierde un electrón)

Átomo reducido(gana un electrón)

Agentereductor

Oxígeno

Hidrógeno

Radicalmolecular

Radicalmolecular

Radicalesmoleculares

Moléculareducida

Moléculaoxidada

740

Pilas

La transferencia de electrones desde elreductor al oxidante es la responsable dela corriente eléctrica en las pilas. Una pilaes un dispositivo donde ocurre una reac-ción re-dox espontánea y los electronesobtenidos se distribuyen por un circuitoeléctrico. De la energía química obtene-mos energía eléctrica.

Esta sencilla reacción constituye la basede la primera pila que se construyó, la pilaDaniell. Constaba de dos compartimentosseparados por un tabique poroso; en unode ellos había una lámina de cobre y unadisolución de sulfato de cobre, mientrasque en el otro había una lámina de cinc y

una disolución de sulfato de cinc. El catióncobre se reduce y se deposita cobre metálico

en la lámina del primer compartimento y el metalcinc se oxida y pasa a la disolución en el segundo com-

partimento:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Si se conecta a un circuito eléctrico se observa el paso decorriente.

Las pilas actuales derivan de la pila Daniell. Los oxi-dantes de las pilas son generalmente el dióxido de manga-neso o el óxido de mercurio.

La pila Daniell se basa en poneren contacto dos disoluciones, una de sulfato decobre y otra de sulfato de cinc en contacto consus respectivos metales. Se observará que el cincse oxida y el catión cobre se reduce. De esta forma se consigue un trasvase de electrones del reductor al oxidante, con lo que se genera corriente eléctrica. Con el tiempo, la barra de cobre habráaumentado su tamaño y la de cinc, disminuido.

química • Reacciones de Oxidación-Reducción

Electrólisis

Se trata de reacciones de oxidación-reducción no espontá-neas, es decir, que para producirse requieren que se lessuministre energía eléctrica. En un recipiente que con-tenga una disolución de un electrólito, cloruro de cobre,por ejemplo, se introducen dos electrodos de grafitoconectados a los polos positivo y negativo de una pila.Se obtiene gas cloro en el ánodo y cobre que se deposi-ta en el cátodo. Decimos que el anión cloruro se oxida yque el catión cobre se reduce. En cuanto al metal depo-sitado, a más tiempo, más masa se obtiene.

� APLICACIONES DE LAS REACCIONES RE-DOX

Fuente de energía

Ánodo Cátodo

Barras conductorasde electricidad

Depósito de cobre

Solución de cloruro de cobre

Gas cloroCl2

Cl–

Cu+

La electrólisis del cloruro de cobre es también un proceso de oxidación-reducción, pero no es espontáneo ya que se realiza mediante el aporte de la energía eléctrica.

Se deposita cobre, de color rojizo, en el cátodo y gas cloro en el ánodo, que asciende.

741

Placa decinc Zn Ánodo

Puente salinoCátodo

Placa decobre Cu

Solución ácida SO42–

Solución ácida SO42–Voltímetro

Cu2+

Zn2+

química • Química del Carbono

Química Orgánica

� ÁTOMO DE CARBONO

La capacidad de síntesis de nuevoscompuestos se explica por las carac-terísticas tan peculiares del átomo decarbono. Tiene número atómico 6 ysu masa atómica es 12,03. El númeroatómico indica los protones que hay enel núcleo y los electrones de su envoltura.Estos seis electrones se hallan dispues-tos del siguiente modo: dos en la pri-mera capa y cuatro en la segunda.Estos cuatro electrones puedenformar cuatro enlaces covalentescon otros átomos de carbono o deotros elementos.

La mayor parte de los compuestos derivados del carbono seencuentran en los organismos vivos. Por ello, a esta parte de laquímica Berzelius la denominó en 1797 química orgánica para

diferenciarla de la inorgánica, que trata de las sustanciaspresentes en los minerales. Son compuestos orgánicos, además

de los productos naturales, los medicamentos, los colorantes,las pinturas, los plásticos, los detergentes,los combustibles y toda una serie de

sustancias obtenidas sintéticamente.En 1828, Wöhler sintetizó porprimera vez la urea, producto

presente en la orina de losanimales; con ello demostróque las sustancias naturales

podían reproducirse en ellaboratorio. A partir de esta

fecha se inició la elaboración denumerosas sustancias y cada díase sintetizan otras nuevas, como

los medicamentos que han logradocambiar la calidad y la esperanza

de vida de los humanos.

Átomo de carbono. El núcleo contieneseis protones y seis neutrones y en la

corteza giran seis electrones encontinuo movimiento. La estructura de

este átomo es la responsable de los múltiples compuestos

que se pueden formar.

El átomo de carbono puede adoptar tres tipos de uniones consigo mismo o con otros átomos: enlace simple, enlace doble y enlace triple. El enlace simple es más estable, mientras que los compuestos que poseen enlaces dobles o triples son más reactivos, tienden al enlace simple o saturado.

Simple

2 enlaceslibres

1 enlacelibre

Doble

Triple

742

Disposición espacial tetraédricadel átomo de carbono y suscuatro electrones que ocupan losvértices, dispuestos a unirse deforma covalente. La molécula más simple es la delmetano que resulta de la unióncon cuatro átomos de hidrógeno. Las moléculas de metano se unen entre sí a través dedébiles fuerzas atractivas, por lo que el compuestoresultante es un gas con puntosde fusión y ebullición muy bajos.

3 enlaceslibres

743

� CADENAS CARBONADAS

Cuando se combina con otros átomos de carbono, puede formarcadenas, abiertas o cerradas. Los enlaces entre carbono y car-bono pueden ser de tres tipos:

• Simple, si sólo comparten un par de electrones:C—C (enlace saturado).

• Doble, si se comparten dos pares de electrones: C——C (enlace insaturado).

• Triple, si se comparten tres pares de electrones:C———C (enlace insaturado).

� ISOMERÍA

Podemos encontrar sustancias con la misma estructura molecular pero que sean distin-tas por su orientación. A modo de ejemplo tenemos el butano y el metilpropano, que

tienen la misma fórmula molecular, C4H10, pero son sustancias químicasdistintas porque sus propiedades son diferentes; esto se explica por el

hecho de que el butano es de cadena lineal, con cuatro átomos decarbono seguidos, CH3�CH2�CH2�CH3, en cambio, laestructura del metilpropano es ramificada, tres carbonos y unoen medio.

Existen isómeros de muchos tipos: de cadena, de posición yde función. Los isómeros ópticos, como el ácido láctico, des-vían la luz polarizada, luz que sólo vibra en un plano en senti-do contrario. Se trata de imágenes especulares, como nuestras

manos, que son idénticas pero no se pueden superponer.

En las síntesis de nuevoscompuestos, intervienen la

posibilidad decombinacionesdiversas entre los átomos de carbono, de forma cíclica, hexagonal sobre todo,

lineal o con ramificaciones.El hidrógeno y el oxígeno son los elementos con

los que más se une el carbono.Esta estructura corresponde a una molécula

de clorpromazina, un fármaco.

Isomería óptica. El ácido láctico se presenta en dos formas distintas,simétricas entre sí, como nuestras manos. Sus propiedades son idénticas

excepto en que desvían la luz polarizada, luz que vibra en un solo plano pero en distinta dirección. Un isómero está a la derecha y el otro a la izquierda.

Los cuatroelectrones de la

última capa del átomo de

carbono se disponenen el espacio de

modo que tienden aunirse con otros átomos

de carbono, ya sea enforma lineal, ramificada o

cíclica.

Estructuras abiertas

Ramificada

Lineal

Estructuracerrada (ciclo)

química • Química Orgánica

química • Química del Carbono

HidrocarburosLos hidrocarburos son compuestos quecontienen carbono e hidrógeno unidos porenlaces covalentes. Algunos ejemplos son: elmetano, el butano, el acetileno, el benceno, etc.

� ALCANOS

Los alcanos son hidrocarburos saturados deenlaces �C�C� simples. El más sencilloes el metano, CH4, gas producido en las fermen-taciones de residuos vegetales. Se encuentra enel petróleo y es el componente principal delgas natural. El propano, C3H8, y el buta-no, C4H10, se utilizan como combustibles.Los alcanos líquidos, como el heptano, sonbuenos disolventes de sustancias grasas.

� ALQUENOS

Poseen dobles enlaces C�C y son hidrocarburosinsaturados. Esto hace que sean sustancias más reactivas.El ejemplo más claro es el eteno o etileno, CH2�CH2que reacciona fácilmente con el hidrógeno y con los ha-

lógenos, reacciones de adición. Los freones, derivados halogena-dos, son muy estables pero inflamables. Se utilizan en la fabricaciónde lacas y desodorantes, en los frigoríficos o en el aire acondi-cionado, y comportan un grave riesgo para la capa de ozono de laatmósfera.

Molécula de metano. Es el hidrocarburo

más sencillo que existe, un átomo de carbono unido

a cuatro átomos de hidrógeno. El compuesto resultante es un gas.

El etano es el segundorepresentante de la familia de loshidrocarburos saturados, o alcanos.Dos átomos de carbono unidosentre sí y los otros tres enlaces serealizan con átomos de hidrógeno.

El tercer hidrocarburo es el propano. Tres átomos de carbono y ocho de hidrógeno. Se emplea como combustible al igual que el butano. Su distribución comercial se realiza a través de botellas de diversos

tamaños, pesos y formas que contienen una mezcla de propano y butano.

� ALQUINOS

Son hidrocarburos insaturados que poseen triples enlaces C�C y son los más reactivos; en sendas reacciones de adición de hidró-geno se obtienen alcanos. El etino o acetileno, HC�CH, es elmás importante.

744

El butano es otro de los alcanos, tiene cuatro átomos de carbono y diez de hidrógeno.

� PETRÓLEO

La fuente más importante de obtención de hidro-carburos es el petróleo. Su finalidad es energéti-ca y se utiliza como combustible. Del petróleose obtienen plásticos, pinturas, tejidos, etc.Es una mezcla líquida, menos densa que el agua,de color oscuro y olor desagradable, que contie-ne pequeñas cantidades de azufre. El petróleobruto no tiene aplicación directa; sus compo-nentes, que se obtienen por destilación fraccio-nada, son los que realmente interesan. Cadacomponente o fracción se separa del resto enfunción de su punto de ebullición.

Algunos componentes extraídos del petróleoson los aceites lubricantes, la vaselina, el alqui-trán, gas, éter de petróleo, gasolina, queroseno ygasoil.

GasSe trata de la fracción del petróleo que hierve amenos de 30 °C. Es una mezcla de metano, etano,propano y butano, que luego son separados paraser usados como combustibles.

Éter de petróleoFracción que hierve entre 30 y 90 °C. Está for-mada por hidrocarburos de 5 a 7 átomos de car-bono.

GasolinaHierve entre 70 y 200 °C. Está formada porcadenas de 5 a 12 carbonos. Su utilidad básicaes la de combustible de automóviles y aviones.

química • Hidrocarburos

� HIDROCARBUROS CÍCLICOS

Los hidrocarburos pueden tener ramificaciones y,si sus extremos se unen, decimos que se ha forma-do un hidrocarburo cíclico. De entre los cíclicos,destacan el benceno, C6H6, y sus derivados por

su especial estabilidad y aroma característico.Su estructura molecular es plana y hexagonal con tres

enlaces sencillos y tres dobles. El benceno es un líquidoinsoluble en agua y menos denso que ésta.

El benceno es el principalcomponente dela familia de loshidrocarburoscíclicos.Sus derivados tienenmúltiples aplicaciones.Entre los que destacamos eltolueno (metilbenceno) y el trinitrotolueno (TNT) utilizado como explosivo.

Gases: butanoy propano

Prod

ucto

svo

látil

es

Gasolinas

260°Gasoil

375°Fuel-oil

150°Queroseno

Grasas ylubricantes

Calefactor

Entrada depetróleo crudo

Asfaltosy coque

Vapor

Prod

ucto

spe

sado

sTe

mpe

ratu

raen

desc

enso

Queroseno

Es un líquido que hierve entre 175 y 250 °C.Está formado por cadenas de 12 a 16 átomos decarbono. Se usa como combustible para la cale-facción.

GasoilHierve entre 220 y 375 °C. Es un compuestoformado por cadenas de 17 a 19 carbonos. Seutiliza como combustible en los motores diésel.

Esquema de la columna de destilación fraccionada del petróleo. En la parte superior se obtienen las sustancias

más volátiles, los gases. En la zona intermedia, éteres,gasolinas y el queroseno; y en la zona inferior, productos conpuntos de ebullición superiores a los 200 °C, como el gasoil,

el fuel-oil y las sustancias más pesadas. Las estaciones de servicio expenden buena parte de esos productos.

745

química • Química del Carbono

Funciones Oxigenadas y Nitrogenadas

Cuando los átomos de carbono de un hidrocarburo se unen aotros elementos forman unas estructuras atómicas

denominadas grupos funcionales;los más importantes son los del oxígeno

y del nitrógeno.

� ALCOHOLES

Los alcoholes se caracterizan por tenerel grupo funcional �OH. Del meta-no, CH4, deriva el metanol, CH3OH,que es un alcohol muy tóxico y se uti-liza como alcohol para quemar. Deletano, CH3�CH3, obtenemos el eta-nol, CH3�CH2OH, que es el alco-hol más característico y se extrae de lafermentación de los azúcares de lasfrutas (si es uva se obtiene el vino.

Otros alcoholes son: la glicerina,CH2OH�CHOH�CH2OH,

base de obtención de explosivoscomo la nitroglicerina; o el etano-diol, CH2OH�CH2OH, que seutiliza como anticongelante en los radiadores de los automóviles.

La glicerina es otro alcohol, transparente y denso, empleado en cosmética para la hidratación de la piel y en la industria textilpara suavizar lasfibras. Un derivado,la nitroglicerina, se usa comoexplosivo.

� ALDEHÍDOS Y CETONAS

Son compuestos de carbono que en su fórmula poseen el grupo funcio-nal �C�O, denominado grupo carbonilo. Cuando este grupo seencuentra en un extremo de la cadena, se trata de los aldehídos; en

caso contrario, son las cetonas. Tienen olores agradables.El aldehído más simple es el metanal o formol, HCHO;

es un líquido soluble en agua que se emplea en sanidad comodesinfectante y conservante.

La acetona, o más propiamente propanona,CH3�CO�CH3, es una cetona muy soluble enagua y se usa como disolvente de lacas, barnices.

Destilería de whisky en Escocia. Las bebidasalcohólicas se obtienen en los procesos de

destilación, previa oxidación de los productosazucarados. El alcohol, en realidad el etanol, quetiene un punto de ebullición inferior al del agua, se

puede separar por destilación y concentrar en elporcentaje deseado.

La acetona es un producto blanquecino quecontiene oxígeno y que se usa como disolventeorgánico, para eliminar el esmalte de uñas.

746

� ÁCIDOS Y ÉSTERES

Se trata de los compuestos queposeen el grupo funcional carboxi-lo, �COOH. Se obtienen por oxi-dación de los alcoholes. Un vinoexpuesto a la intemperie se avinagra,es decir, se convierte en ácido eta-noico o acético, CH3-COOH. Elácido más sencillo es el metanoico ofórmico, HCOOH, secretado por lashormigas y la abejas en las picaduras.El ácido cítrico se encuentra en lasnaranjas y limones. Los ácidos grasosson ácidos orgánicos que contienen de12 a 20 átomos de carbono; destacan

el oleico, en el aceite de oliva. La aspi-rina, uno de los fármacos más populares

y universales por su poder analgésico yantiinflamatorio es el ácido acetilsalicílico,

sintetizado en 1893.Los ésteres se obtienen al reaccionar un ácido con

un alcohol, reacción de esterificación. Los ésteres demasa molecular pequeña son líquidos de olor agrada-ble. Los aromas de las flores y de las frutas procedende ésteres volátiles. Son insolubles en agua. Los acei-tes vegetales y animales contienen ésteres formadospor ácidos grasos y el alcohol glicerina.

química • Funciones Oxigenadas y Nitrogenadas

Elementosgrasos.Reacciona y forma ácidos grasosy glicerol

Agua caliente

a b

Hidróxidode sodio

Salmuera

Capa dejabón

El jabón flotasobre la soluciónsalina por serinsoluble en ella

Salmueray glicerina

El hidróxidode sodioreaccionacon los ácidosgrasos y formajabón

Proceso industrial de obtención del jabón, mediantela reacción de saporificación: éster + Na OH �Sal sódica (jabón) + alcohol.Se hierve grasa en un recipiente (a); se añade unamitad de la sosa, hidróxido de sodio (b), y seremueve hasta homogenizarlo, añadiendo el restode sosa. Finalmente se añade salmuera (c) y la mezcla se separa en dos capas, una espesaque flota, el jabón, y otra líquida formada por laglicerina y la salmuera (d). Se retira el jabón y secuece en calderas para eliminar el agua.

Los aromas de lasflores y de las frutasson debidos a ésteresvolátiles de pocos

átomos de carbono. Así el butanoato de etilo

tiene olor a rosa. Los ésteres se forman por la

reacción de un ácido y un alcohol.

� AMINAS

Si hacemos reaccionar el amoníaco con un hidrocarburo, entonces seobtienen las aminas, R�NH2, R�NH�R�, N(R)3. Tienen olor de-sagradable. Se utilizan para obtener productos farmacéuticos.

� AMIDAS

Son compuestos procedentes de los ácidos por sustitución del grupo OHpor un grupo amina, NH2. La fórmula del grupoamida tiene la forma: �CONH2. La diamidadel ácido carbónico o urea, CO(NH2)2, seencuentra en la orina de los mamíferos.

� NITRILOS

Poseen el grupo �CN y se pueden considerarderivados del ácido cianhídrico, HCN, que es unácido débil y muy venenoso al igual que sus sales.

747

El aceite de oliva esun ácido oleico. Es insoluble en aguay muy soluble enalcohol, éter ybenceno. El ácidooleico es elácido graso másabundante, seencuentra en casi todas lasgrasas y aceites vegetales.

c d

Forma bote

química • Química del Carbono

Formulación OrgánicaTodos los compuestos orgánicos contienen carbono; loshidrocarburos, además, disponen de hidrógeno. Los gruposfuncionales contienen oxígeno y nitrógeno. Para formular ynombrar un compuesto es preciso seguir unas normas dictadas por la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).

� FORMULACIÓN DE LOS HIDROCARBUROS

Como norma general de nomenclatura, si el hidrocarburo ogrupo funcional tiene ramificaciones, se nombra primero laramificación y después la cadena principal, que ha de ser la máslarga y la que contenga los grupos activos, dobles enlaces, tripleso grupos funcionales.

Las cadenas secundarias se denominan radicales y se nombran con la terminación il: CH3� metil. Si hay más de un radical se pone el prefijo que lo indique y la posición que ocupa para distinguirlo de otros isómeros: CH3�CH

(CH3)�CH(CH3)�CH3, 2,2-dimetilbutano.Los alcanos tienen como fórmula general CnH2n + 2. Se nombran

con el sufijo ano: CH4, metano.Los alquenos se nombran acabados en eno y si hay más de uno se

utilizan los prefijos: di, tri, tetra, que indican la posición que ocupan:CH2�CH2 es el eteno; CH2�CH�CH�CH�CH3, 1,3-pen-tadieno.

Los alquinos se nombran acabados en ino y siguen la misma norma que los alquenos. Si hay doblesenlaces, éstos tienen preferencia en la ordenación sólo en caso de igualdad y se nombran antes que el tri-ple enlace: CH�CH es el etino; CH�C�CH�C(CH3)�C�CH,3-metil-3-hexen-1,5-diino.

Los hidrocarburos cíclicos se nombran igual que los lineales anteponiendo el prefijo cíclico delante: ciclopropano, ciclo-butano, ciclohexeno, etc.

El metano, la molécula orgánicamás sencilla.Un átomo de carbono unido deforma covalente a cuatro dehidrógeno en una disposicióntetraédrica

Forma silla

Formas estructurales de la molécula deciclohexano:la forma «bote» y la forma «silla».

Entre sí, son isómeros estructurales. Los carbonos se hallan distribuidos

tetraédricamente en el espacio.

748

química • Formulación Orgánica

� FORMULACIÓNDE LAS FUNCIONES OXIGENADAS

En los alcoholes resultan al sustituir un hidró-geno del hidrocarburo por el grupo OH.Se nombran acabados en ol: CH3OH, meta-nol. Al escribir la fórmula se anteponensobre radicales y dobles y triples enlaces:CH2OH�CH�CH2, 2-propen-1-ol.

Los aldehídos contienen el grupoC�O en un extremo de la cade-na. Se nombran acabados en al:HCHO, metanal.

Las cetonas contienen el grupo C�O en cual-quier carbono excepto los terminales. Se nom-bran acabados en ona:C H 3� C O � C H 3 ,propanona o acetona.En un extremo de la cade-na de los ácidos hay un grupo�C�O y uno �OH, queforman el grupo�COOH. Se nombran acabadosen oico: CH3�COOH, ácido etanoico o acético.

Los ésteres resultan de la unión entre un ácido y unalcohol, grupo �COO�. Se nombran sustituyen-do la terminación oico del ácido por oato:CH3�COO�CH3, es el etanoato de metilo; yCH2 � C(CH3)�COO�CH2�CH3, 2-metil-propenoato de etilo.

Los éteres se obtienen al unirse dos radicales conel oxígeno. Se nombran acabados en éter:CH3�O�CH3, dimetiléter.

� FORMULACIÓNDE LAS FUNCIONES NITROGENADAS

Los compuestos nitrogenados son compuestos orgánicosque poseen uno o más nitrógenos en su grupo funcional ytienen una gran importancia biológica y en la industria delos colorantes y explosivos.

Las aminas contienen el grupo �NH2. El nombre del radical acaba en amina: C6H5NH2, feni-lamina o anilina.

La amidas contienen el grupo �C�O y el grupo �NH2 formando el grupo CONH2. Senombran acabados en amida: CH3�CONH2 etanamida.

Los nitrilos contienen el grupo llamado ciano �C�N (�CN). Se nombran acabados en nitri-lo o, como derivados del CN, cianuro de: CH3�CN, etanonitrilo o cianuro de metilo.

Diversas moléculassignificativas de las funciones oxigenadas:

el metanol, o alcohol de quemar, es muy tóxico; el ácido etanoico o acético,

de sabor agrio, del vinagre; el acetaldehído,líquido soluble en agua y menos denso que ella; y la acetona, de olor agradable, que se emplea

como disolvente orgánico.

Ácido etanoico o acéticoCH3—COOH

Metanol CH3OHAcetaldehído

o etanalCH3—CHO

AcetonaCH3—CO—CH3

749