Fundamentos de Química General: De la Estabilidad Nuclear a las Disoluciones

Estabilidad Nuclear

La estabilidad de un núcleo atómico depende de la relación entre el número de neutrones (n) y el número de protones (Z).

• Para Z < 20, los núcleos son estables si la relación n/Z ≈ 1.
• Entre Z = 20 y Z = 83, los núcleos son estables si la relación n/Z > 1.
• Para Z > 83, todos los núcleos son inestables.

Números Cuánticos

Describen el estado de un electrón en un átomo.

• Número cuántico principal (n): Define el nivel principal de energía. Sus valores son números enteros positivos: 1, 2, 3, ...
• Número cuántico del momento angular o azimutal (l): Describe la forma del orbital (s, p, d, f) y su simetría. Sus valores van desde 0 hasta n-1.
• Número cuántico magnético (m): Indica la orientación del orbital en el espacio. Sus valores van desde -l hasta +l, pasando por 0.
• Número cuántico de espín (m_s): Describe el momento angular intrínseco del electrón (espín). Sus valores son +1/2 o -1/2.

Comportamiento de Gases Reales

Las desviaciones del comportamiento ideal de los gases se observan bajo ciertas condiciones:

• Bajas temperaturas: Al disminuir la temperatura y aproximarse al punto de ebullición, la energía cinética de las moléculas disminuye, permitiendo que las fuerzas intermoleculares atractivas se vuelvan más significativas.
• Altas presiones: Al aumentar la presión, las moléculas se acercan, lo que también incrementa el efecto de las fuerzas atractivas. A presiones muy altas, el volumen molecular deja de ser despreciable en comparación con el volumen total del recipiente.

Nota: Existe una combinación de temperatura y presión donde el efecto de las fuerzas atractivas y el del volumen molecular se contrarrestan.

Cristales Líquidos

Son un estado de la materia que combina propiedades de líquidos y sólidos. Poseen la fluidez de un líquido y las propiedades ópticas de un sólido. Se estabilizan por fuerzas de Van der Waals. Las moléculas tienen una posición aleatoria pero una orientación alineada.

Tipos de Cristales Líquidos

• Nemáticos: Las moléculas se orientan de forma paralela, pero son libres de moverse en cualquier dirección. Solo pueden rotar en torno a sus ejes más largos.
• Esmécticos: Las moléculas se ordenan en capas, con sus ejes más largos perpendiculares a los planos de las capas. Pueden rotar en torno a su eje más largo y trasladarse dentro de una misma capa, pero no entre capas.
• Colestéricos: Las moléculas se ordenan en capas, pero la orientación en cada capa es ligeramente diferente a la de la capa superior e inferior, creando una estructura helicoidal.

Disoluciones

Disoluciones Ideales y No Ideales

• Disoluciones ideales: El cambio de entalpía de la mezcla (ΔH) depende de las fuerzas intermoleculares. En una disolución ideal, las fuerzas entre los distintos componentes son similares.
• Disoluciones no ideales: Se forman cuando las fuerzas de adhesión (entre soluto y disolvente) son mayores que las fuerzas de cohesión (entre partículas idénticas). Pueden dar lugar a sistemas heterogéneos.

Propiedades Coligativas

Propiedades de las disoluciones ideales que dependen del número de partículas de soluto, no de su naturaleza.

• Descenso de la presión de vapor.
• Descenso del punto de congelación.
• Aumento del punto de ebullición.
• Presión osmótica.

Ley de Raoult

Establece que un soluto no volátil disuelto en un disolvente disminuye la presión de vapor de la disolución. La presión de vapor de la disolución (P_d) es igual a la fracción molar del disolvente (X_d) multiplicada por la presión de vapor del disolvente puro (P⁰_d).

Fórmula: P_d = X_d · P⁰_d

Termodinámica y Equilibrio Químico

Termodinámica

La espontaneidad de un proceso químico se determina por el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG). Si ΔG > 0, el proceso no es espontáneo en esas condiciones.

Equilibrio Químico (Principio de Le Châtelier)

Si un sistema en equilibrio es perturbado, se desplazará para contrarrestar la perturbación.

• Cambio de presión/volumen: Un aumento de la presión (o disminución de volumen) desplaza el equilibrio hacia donde hay menos moles gaseosos.
• Cambio de temperatura: Un aumento de la temperatura favorece la reacción endotérmica (absorbe calor, ΔH > 0). Una disminución favorece la reacción exotérmica (libera calor, ΔH < 0).

Solubilidad

Condición de Precipitación

Se utiliza el cociente de reacción (Q) y la constante del producto de solubilidad (K_ps).

• Si Q < K_ps, la disolución está insaturada y no hay precipitación.

Factores que Afectan la Solubilidad

• Temperatura: Si el proceso de disolución es endotérmico (ΔH_disolución > 0), la solubilidad (s) aumenta al aumentar la temperatura (T).
• Efecto del ion común: La presencia de un ion común en la disolución disminuye la solubilidad (S) de una sal poco soluble.
• pH: La solubilidad de las sales puede verse afectada por el pH. Las sales con un anión que es una base débil se disuelven mejor en medios ácidos. Las sales con un catión que es un ácido débil se disuelven mejor en medios básicos.
• Formación de iones complejos: La solubilidad puede aumentar si uno de los iones de la sal forma un ion complejo estable. Un ion complejo es un anión o catión poliatómico compuesto por un ion metálico central y moléculas o iones unidos a él, llamados ligandos.

Conceptos Fundamentales

Número de Oxidación

Es la carga hipotética que tendría un átomo en una molécula o en un compuesto iónico si los electrones de cada enlace se transfirieran completamente al átomo más electronegativo.