Fundamentos de Química: Átomos, Enlaces y Estructura Molecular

Conceptos Fundamentales de la Materia

La materia es discontinua, ya que se encuentra formada por partículas extremadamente pequeñas denominadas átomos.

Descripción de los Átomos

El término átomo proviene del griego átomos (ἄτομος), que significa 'indivisible'. Aunque hoy sabemos que los átomos son divisibles, el nombre persiste. Su tamaño es extremadamente pequeño; por ejemplo, 1 Å (Angstrom) equivale a 1 × 10⁻⁸ cm (o 10⁻¹⁰ m).

La Electricidad en la Materia

La materia posee propiedades eléctricas fundamentales:

1. Los materiales se electrizan al frotarlos.
2. Existen dos tipos de cargas eléctricas: positiva (+) y negativa (-).
3. Las cargas eléctricas iguales se repelen.
4. Las cargas eléctricas opuestas se atraen.

Enlace Químico

El enlace químico se refiere a las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, entrelazándolos. Esta es la razón por la cual los átomos se mantienen atraídos unos a otros, buscando alcanzar la máxima estabilidad energética.

Cuando los átomos se enlazan entre sí, forman moléculas más estables. Estas atracciones son generalmente de origen electrónico.

Los electrones de un átomo (con carga negativa -) son atraídos por el núcleo de carga positiva (+) de otro átomo, según la Ley de Coulomb:

"Dos partículas con cargas eléctricas opuestas se atraen con una fuerza directamente proporcional a la intensidad o magnitud de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de sus distancias."

Tipos de Enlace Químico

1. Enlace Iónico

   Se establece entre átomos cargados electrónicamente. Los iones son átomos con carga eléctrica; si están cargados positivamente (+) se denominan cationes, y si su carga es negativa (-) se denominan aniones. Ambos iones, al tener cargas contrarias, se atraen debido a fuerzas electrostáticas y quedan unidos. Este enlace se produce típicamente cuando un átomo metálico cede electrones a uno no metálico.

2. Enlace Covalente

   Este tipo de enlace se forma entre átomos incapaces de formar iones, generalmente entre átomos iguales o con electronegatividades similares, compartiendo electrones. Ejemplo: hidrógeno (H₂).

3. Formación de Moléculas

   Es el resultado de la unión de dos o más átomos, iguales o diferentes, para formar una partícula discreta (una molécula) que conserva las propiedades físicas y químicas de una sustancia.

Polímeros y Polimerización

Polímero

Un polímero es una sustancia cuyas moléculas son, al menos aproximadamente, múltiplos de unidades de bajo peso molecular, denominadas monómeros. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización se indica con un numeral griego, según el número de unidades de monómero.

Polimerización

La polimerización es un proceso químico por el que los reactivos (monómeros) se agrupan químicamente entre sí, dando lugar a una molécula de gran peso (un polímero), que puede ser una cadena lineal o una macromolécula tridimensional.

Estructura Cristalina

Los cristales son sólidos cuyas partículas constituyentes (átomos, moléculas o iones) se ordenan conforme a un patrón que se repite en las tres direcciones del espacio. Se distinguen diferentes tipos de cristales según el tipo de enlace químico que se establece entre sus partículas.

Los cristales se representan mediante fórmulas empíricas, que indican la proporción de los diferentes átomos que forman el compuesto. Por ejemplo: NaCl significa que hay un átomo de cloro por cada átomo de sodio.

Estructura Atómica y Modelos

En la búsqueda por explicar la configuración atómica, los científicos propusieron varias teorías. La teoría aceptada actualmente, que data de 1911, fue propuesta por Ernest Rutherford.

Modelo Atómico de Rutherford

El Modelo Atómico de Rutherford describe al átomo como un núcleo central rodeado de una corona de electrones.

Componentes del Núcleo Atómico

• En el núcleo deben existir partículas denominadas protones (de carga positiva +).
• Acompañando a los protones, se encuentran otras partículas denominadas neutrones (de carga neutra).

Los electrones, que se encuentran girando alrededor del núcleo, poseen carga negativa (-).

Todos los átomos poseen la misma estructura fundamental, pero se diferencian en el número de protones y electrones.

El Núcleo Atómico

El núcleo ocupa la parte central del átomo y es extremadamente pequeño. Su diámetro es aproximadamente de 10⁻¹³ cm. Las partículas que constituyen el núcleo se denominan nucleones, y hay dos tipos: protones y neutrones.

Isótopos

Los isótopos son átomos del mismo elemento con diferente masa atómica, debido a que poseen distinto número de neutrones en su núcleo.

Capas de Electrones (Niveles de Energía)

Los electrones poseen carga negativa (-) y se encuentran ubicados en diferentes capas o niveles de energía alrededor del núcleo. Estas capas se nombran con las letras mayúsculas K, L, M, N, O, P, Q, donde K es la capa más cercana al núcleo y Q la más lejana.

Los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo debido a las cantidades de energía que los mantienen en sus respectivas capas. La capacidad máxima de electrones por capa es:

• K: 2 electrones
• L: 8 electrones
• M: 18 electrones
• N: 32 electrones
• O: 32 electrones
• P: 18 electrones
• Q: 8 electrones