Fundamentos de la Química: Átomos, Elementos y Enlaces Químicos

El átomo es la partícula más pequeña y estable que mantiene todas las propiedades de un elemento. Es decir, la parte de materia más pequeña que puede ser medida. El átomo también es denominado como la partícula fundamental, gracias a su característica de no poder ser dividido mediante procesos químicos.

Los átomos se combinan para formar moléculas que luego interactúan para formar sólidos, líquidos y gases.

Estructura del Átomo

El átomo está compuesto por dos regiones diferentes: el núcleo, donde están los protones y los neutrones, y la nube u orbitales electrónicos, donde se encuentran los electrones.

Núcleo

El núcleo es el centro o corazón del átomo que está compuesto por protones y neutrones. Tanto protones como neutrones poseen masa, pero solo los protones tienen carga positiva.

Nube Electrónica

Rodeando el núcleo, se encuentran los electrones en una especie de nube.

Partes del Átomo

El átomo está compuesto por tres partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones.

Protón

Es la partícula cargada positivamente que se encuentra en el núcleo del átomo. Tiene una masa de aproximadamente 1,67 x 10^-24 gramos, que es igual a 1 dalton. El número de protones de un átomo determina el número atómico del elemento.

Neutrón

Es la partícula neutra del núcleo del átomo con masa igual a la de un protón, es decir, 1 dalton.

Electrón

Los electrones son las partículas subatómicas que orbitan alrededor del núcleo. El electrón tiene una masa de 9,11 x 10^-28 gramos.

Historia del Átomo

El concepto de átomo como una unidad indivisible data del siglo V a.C. Los griegos Leucipo y Demócrito llamaron átomos a las partículas más pequeñas e indivisibles de las que tenían conocimiento.

Elemento Químico

Los elementos químicos son los bloques de construcción de la materia. Todas las sustancias que nos rodean son un elemento o un compuesto formado por elementos químicos. El elemento químico está compuesto de un único tipo de átomo, es un tipo de materia constituida por átomos de la misma clase.

Características de los Elementos

• Poseen los mismos átomos.
• Poseen el mismo número de protones.
• Los elementos se combinan para formar compuestos.
• Los elementos no se pueden dividir en partes más pequeñas sin una gran cantidad de energía.
• El comportamiento químico de los elementos está relacionado a la estructura del núcleo y la configuración de sus electrones.
• Los elementos en el mismo grupo de la tabla periódica presentan comportamientos químicos similares.
• Se pueden encontrar en los diferentes estados: sólido (como el hierro, Fe), gas (helio, He) y líquido (mercurio, Hg) a la temperatura ambiente.

Clasificación de los Elementos Químicos

Los símbolos de los elementos: La mayoría de los elementos se representan por su símbolo químico, que es la primera o las dos primeras letras de su nombre. Vienen a ser la forma abreviada de los nombres de los elementos químicos. Algunos símbolos de los elementos provienen de las palabras de origen (griego, alemán o latín).

Elementos Químicos Importantes para los Seres Vivos:

• Hidrógeno (H): Número atómico 1, peso atómico 1. La importancia del hidrógeno en los seres vivos es tal que sin este elemento no sería posible la vida en el mundo tal y como se conoce. El 90% de los átomos existentes están compuestos por este elemento.
• Oxígeno (O): Número atómico 8, peso atómico 16. El oxígeno es el elemento esencial para la vida. El ozono es la combinación de 3 átomos de oxígeno que predomina en la capa superior de la atmósfera. Las células requieren de oxígeno para producir la energía necesaria para realizar todas sus actividades. El oxígeno ingresa al cuerpo por el proceso de respiración.
• Carbono (C): Número atómico 6, peso atómico 12. Todos los seres vivos contienen carbono en su composición. Representa alrededor del 18% de la masa del cuerpo. El carbono es el elemento primordial en las proteínas, los lípidos, ácidos nucleicos y carbohidratos.
• Calcio (Ca): Número atómico 20, peso atómico 40. Pertenece al grupo de los elementos alcalinotérreos. En el cuerpo, el calcio se encuentra circulando en la sangre, en la estructura de los huesos y en el músculo. El calcio es importante en la contracción muscular y en el proceso de coagulación de la sangre en los animales.
• Hierro (Fe): Número atómico 26, peso atómico 56. El hierro es un elemento importante en el transporte de oxígeno a las células.
• Fósforo (P): Número atómico 15, peso atómico 31. El fósforo, cuyo símbolo químico es P, forma parte de los ácidos nucleicos y de las moléculas que proporcionan energía en la célula.

Tabla Periódica

Se denomina tabla periódica de los elementos o simplemente tabla periódica a una herramienta gráfica en la que figuran todos los elementos químicos conocidos por la humanidad, organizados conforme al número de protones de sus átomos, también llamado número atómico.

De esta manera, los elementos que se comportan de manera semejante ocupan renglones cercanos, y se identifican en grupos (columnas, dieciocho en total) y periodos (filas, 7 en total). Hasta ahora se conocen 118 elementos.

Grupos de la Tabla Periódica

• Grupo 1 (IA): Los metales alcalinos: Hidrógeno (H), Litio (Li), Sodio (Na).
• Grupo 2 (IIA): Los metales alcalinotérreos: Berilio (Be), Magnesio (Mg), Calcio (Ca).
• Grupo 3 (IIIB): La familia del Escandio (Sc), que incluye al Itrio (Y), a las tierras raras: Lantano (La), Cerio (Ce), Praseodimio (Pr).
• Grupo 4 (IVB): La familia del Titanio (Ti), que incluye el Circonio (Zr), Hafnio (Hf) y Ruterfordio (Rf).
• Grupo 5 (VB): La familia del Vanadio (V): Niobio (Nb), Tántalo (Ta) y Dubnio (Db), este último sintético.
• Grupo 6 (VIB): La familia del Cromo (Cr): Molibdeno (Mb), Wolframio (W) y Seaborgio (Sg), este último sintético.
• Grupo 7 (VIIB): La familia del Manganeso (Mn): el Renio (Re) y los sintéticos Tecnecio (Tc) y Bohrio (Bh).
• Grupo 8 (VIIIB): La familia del Hierro (Fe): Rutenio (Ru), Osmio (Os) y el sintético Hassio (Hs).
• Grupo 9 (VIIIB): La familia del Cobalto (Co): Rodio (Rh), Iridio (Ir) y el sintético Meitnerio (Mt).
• Grupo 10 (VIIIB): La familia del Níquel (Ni): Paladio (Pd), Platino (Pt) y el sintético Darmstadtio (Ds).
• Grupo 11 (IB): La familia del Cobre (Cu).
• Grupo 12 (IIB): La familia del Zinc (Zn): Cadmio (Cd), Mercurio (Hg) y el sintético Ununbio (Uub).
• Grupo 13 (IIIA): Los térreos: Boro (Br), Aluminio (Al), Galio (Ga), Indio (In), Talio (Tl) y el sintético Ununtrio (Uut).
• Grupo 14 (IVA): Los carbonoideos: Carbono (C), Silicio (Si), Germanio (Ge), Estaño (Sn), Plomo (Pb) y el sintético Ununquadio (Uuq).
• Grupo 15 (VA): Los nitrogenoideos: Nitrógeno (N), Fósforo (P), Arsénico (As), Antimonio (Sb), Bismuto (Bi) y el sintético Ununpentio (Uup).
• Grupo 16 (VIA): Los calcógenos o anfígenos: Oxígeno (O), Azufre (S), Selenio (Se), Teluro (Te), Polonio (Po) y el sintético Ununhexio (Uuh).
• Grupo 17 (VIIA): Los halógenos: Flúor (F), Cloro (Cl), Bromo (Br), Yodo (I), Astato (At) y el sintético Ununseptio (Uus).
• Grupo 18 (VIIIA): Los gases nobles: Helio (He), Neón (Ne), Argón (Ar), Kriptón (Kr), Xenón (Xe), Radón (Rn) y el sintético Ununoctio (Uuo).

Sustancia Química

Una sustancia química es una clase particular de materia homogénea cuya composición es fija y químicamente definida. Se compone por las siguientes entidades: moléculas, unidades formulares y átomos. Se clasifican en orgánicas e inorgánicas.

Compuesto Orgánico

Sustancias químicas que contienen carbono, en muchos casos contienen oxígeno, estos compuestos se denominan moléculas orgánicas.

Compuesto Inorgánico

Se denomina sustancia química inorgánica a aquellos compuestos que están formados por distintos elementos, pero en los que su componente principal no siempre es el carbono, siendo el agua el más abundante.

Compuestos o Sustancias Inorgánicas

A diferencia de los orgánicos, típicos de la química de la vida, los compuestos inorgánicos son aquellos cuya composición no gira en torno al carbono y al hidrógeno. Estos compuestos se forman a través de reacciones y fenómenos físicos presentes en la naturaleza, tales como la energía solar, la acción de la electricidad o del calor, etc.

Propiedades de las Sustancias Inorgánicas

Las sustancias inorgánicas pueden diferir enormemente las unas de las otras, por lo cual sus propiedades no siempre son comunes ni son universales. En líneas generales, sin embargo, se trata de:

• Buenos conductores de calor y de electricidad.
• Predomina en ellos el enlace iónico (electrovalente).
• Tienen puntos de fusión y ebullición altos.
• Cuando son sólidos, suelen presentar dureza y fragilidad.
• Suelen organizarse en cristales, cuando sólidos, debido a la falta de movilidad entre sus iones.

Clasificación de las Sustancias Inorgánicas

Los compuestos inorgánicos presentan gran variedad de estructuras, pero pueden ser clasificados de acuerdo al número de elementos que intervienen en cada compuesto, de la siguiente manera:

Compuestos Binarios

Aquellos que se componen únicamente de dos elementos químicos. Por ejemplo: Óxido de cloro (VII): Cl₂O₇ – Óxido ferroso: FeO.

Peróxidos

Los peróxidos son junturas del grupo peróxido con un elemento metálico. Por ejemplo: Peróxido de litio: Li₂O₂.

Hidruros

Los hidruros se componen juntando un anión hidruro (-) de carga eléctrica negativa, con un catión metálico cualquiera (carga positiva). Por ejemplo: Hidruro de litio: LiH.

Sales Binarias

Se trata de iones, es decir, conjuntos de átomos cargados eléctricamente, ya sean cationes (+) o aniones (-). Por ejemplo: Cloruro de calcio: CaCl₂.

Compuestos Ternarios

Aquellos en los que se involucran tres elementos químicos, tales como:

Hidróxidos

Resultantes de la unión de un elemento metálico con un grupo hidroxilo (OH-). Por ejemplo: Hidróxido de sodio (NaOH).

Oxácidos

Ácidos que surgen de la reacción entre un anhídrido (un óxido no metal) y agua. Por ejemplo: Ácido sulfúrico: H₂SO₄.

Ejemplos de Compuestos Inorgánicos

Algunos compuestos inorgánicos de uso común son:

• Agua (H₂O): A pesar de ser tan abundante en el mundo y de ser indispensable para la vida, el agua es una sustancia inorgánica, líquida a temperatura normal y sólida cuando es enfriada por debajo de 0°C, capaz de volverse gas (vapor) al elevarse a los 100 °C.
• Cloruro de Sodio (NaCl): La sal común que usamos para comer, se compone de un átomo de sodio y otro de cloro, y se encuentra abundantemente en la corteza terrestre, sobre todo disuelta en las aguas del mar.
• Amoníaco (NH₃): Una molécula inorgánica compuesta por hidrógeno y nitrógeno, que es excretada junto con otras (como la urea) por los sistemas metabólicos de diversos seres vivientes. Por lo general se presenta en forma gaseosa, y tiene un característico olor desagradable.

Enlace Químico

Conocemos como enlaces químicos a la fusión de átomos y moléculas para formar compuestos químicos más grandes y complejos dotados de estabilidad. En este proceso los átomos o moléculas alteran sus propiedades físicas y químicas, constituyendo nuevas sustancias homogéneas (no mezclas), inseparables a través de mecanismos físicos como el filtrado o el tamizado.

De manera semejante, los enlaces químicos pueden romperse bajo ciertas y determinadas condiciones, como al ser sometidos a cantidades de calor, a la acción de la electricidad, o a la de sustancias que rompan la unión existente y propicien otras nuevas junturas.

Tipos de Enlace Químico

Enlace Covalente

Ocurre entre átomos no metálicos y de cargas electromagnéticas semejantes (por lo general altas), que se juntan y comparten algunos pares de electrones de su última órbita.

Enlace Iónico

Tiene lugar entre átomos metálicos y no metálicos, y consiste en una transferencia permanente de electrones desde el átomo metálico hacia el átomo no metálico, produciendo una molécula cargada eléctricamente en algún sentido.

Enlace Metálico

Se da únicamente entre átomos metálicos de un mismo elemento, que por lo general constituyen estructuras sólidas, sumamente compactas. Es un enlace fuerte, que junta los núcleos atómicos entre sí, rodeados de sus electrones como en una nube, y cuesta mucho esfuerzo separarlos.