Fundamentos de Química: Leyes de Gases, Disoluciones, Estructura Atómica y Enlace Covalente

Leyes Fundamentales de los Gases

Ley de Boyle-Mariotte

Cuando tenemos un gas a temperatura constante (Tª CTE), el producto de la presión por el volumen es una constante. Esta relación se expresa como:

P₁ · V₁ = P₂ · V₂ = P₃ · V₃

Ley de Gay-Lussac

Gay-Lussac estudió el comportamiento de los gases a presión constante (P CTE), observando la relación entre el volumen (V) y la temperatura (Tª). Notó que al aumentar 1ºC la temperatura de un gas, su volumen aumenta en 1/273 de su volumen inicial. La relación es:

V₁ / T₁ = V₂ / T₂

Disoluciones Químicas: Conceptos y Cálculos

Las disoluciones son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. A continuación, se presentan algunas formas de expresar su concentración:

• Porcentaje en masa de soluto (% m/m):

  % masa de soluto = (ms / md) × 100

  Donde ms es la masa del soluto y md es la masa de la disolución.

• Porcentaje en volumen de soluto (% v/v):

  % volumen de soluto = (Vs / Vd) × 100

  Donde Vs es el volumen del soluto y Vd es el volumen de la disolución.

• Concentración en gramos por litro (g/L):

  Concentración (g/L) = ms / Vl

  Donde ms es la masa del soluto en gramos y Vl es el volumen de la disolución en litros.

• Molaridad (M):

  M = ns / V(L)

  Donde ns son los moles de soluto y V(L) es el volumen de la disolución en litros.

• Molalidad (m):

  m = ns / kg disolvente

  Donde ns son los moles de soluto y kg disolvente es la masa del disolvente en kilogramos.

• Fracción molar (X):

  X_soluto = ns / (ns + nD)

  Donde ns son los moles de soluto y nD son los moles de disolvente.

Principios Fundamentales de la Química

Ley de Conservación de la Masa (Lavoisier)

La materia no desaparece, siempre se conserva. La masa total obtenida es la suma de los reactivos. En cualquier reacción química, la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos.

Ley de las Proporciones Definidas y Múltiples (Proust)

Cuando varios elementos reaccionan para dar lugar a un compuesto, lo hacen siempre en una proporción constante. Además, cuando una cantidad fija de un elemento reacciona con dos cantidades diferentes de otro para dar lugar a dos compuestos diferentes, las cantidades del segundo guardan una relación de números enteros y sencillos.

Estructura Atómica y Cuántica

Hipótesis de Planck: Cuantización de la Energía

Max Planck propuso la naturaleza corpuscular de la energía, afirmando que la energía se emite o absorbe en forma de cuantos de energía. La relación fundamental es:

E = hν

Donde E es la energía, h es la constante de Planck y ν (nu) es la frecuencia de la radiación.

Modelo Atómico de Bohr

Niels Bohr propuso un modelo atómico, recogiendo las ideas de Rutherford y los descubrimientos anteriores, y lo resumió así:

1. Los electrones de los átomos giran alrededor del núcleo solo en ciertas órbitas estacionarias y no pierden energía.
2. A las órbitas permitidas para los electrones las llamó niveles de energía.
3. Cuanto más alejado está un electrón del núcleo, más energía tiene.
4. Cuando un electrón salta de una órbita de mayor radio a una de menor, la energía sobrante se emite en forma de radiación.

Números Cuánticos: Descripción de los Electrones

Los números cuánticos describen el estado energético de un electrón en un átomo:

• Número cuántico principal (n): Indica la energía del orbital y el tamaño de la órbita. Toma los valores 1, 2, 3, 4...
• Número cuántico secundario o azimutal (l): Indica la forma del orbital y la energía del subnivel. Toma los valores 0, 1, 2, 3... (hasta n-1).
• Número cuántico magnético (m_l): Nos informa de la orientación del orbital en el espacio. Toma los valores desde -l hasta +l (incluyendo 0).
• Número cuántico de spin (m_s o s): Nos informa del pequeño campo magnético generado cuando el electrón gira sobre sí mismo. Toma los valores -1/2 y +1/2.

Principio de Exclusión de Pauli

En un orbital electrónico, definido por los tres primeros números cuánticos (n, l, m_l), solo caben dos electrones con espines opuestos.

Regla de Máxima Multiplicidad de Hund

Cuando se ocupan orbitales de la misma energía (por ejemplo, los tres orbitales p, los cinco orbitales d y los siete orbitales f), los electrones se disponen de forma que los orbitales estén semiocupados y sus espines sean paralelos.

Enlace Químico: Propiedades de los Compuestos Covalentes

Los compuestos covalentes presentan características distintivas:

1. Moléculas con pequeño número de átomos: La mayoría son gases o líquidos a temperatura ambiente. Los sólidos que existen tienen puntos de fusión y ebullición muy bajos.
2. Sólidos covalentes cristalinos o moléculas gigantes: Formados por gran cantidad de átomos unidos entre sí por enlaces covalentes (redes covalentes). Esto da lugar a compuestos muy duros, con altos puntos de fusión y ebullición, insolubles en cualquier disolvente y no conductores de electricidad (ej. diamante, grafito, cuarzo).