Fundamentos de Química: Propiedades Atómicas, Termodinámica y Equilibrio

Propiedades Periódicas de los Elementos

Radio Atómico

El radio atómico disminuirá al desplazarse hacia la derecha en un periodo y aumentará al bajar en un grupo.

Radio Iónico

En Cationes

Al perder electrones, habrá un menor apantallamiento para un mismo número atómico, con lo que la carga nuclear efectiva en los cationes será mayor que en el elemento neutro. Esta mayor atracción hará que el catión tenga un menor tamaño. Al perder electrones, la carga nuclear efectiva por electrón aumenta y la repulsión interelectrónica disminuye, resultando en un menor tamaño.

En Aniones

Se produce el efecto contrario. Aumentan los electrones. Por tanto, para un mismo número atómico, el apantallamiento es mayor. Como tenemos más electrones que protones en el núcleo, la carga nuclear efectiva disminuye, y el resultado es que aumenta el radio. Las fuerzas de repulsión entre electrones aumentan.

Energía de Ionización (EI)

Su valor aumenta al desplazarse hacia arriba y a la derecha en la tabla periódica. Aunque a veces se confunda con la energía con la que un átomo retiene un electrón, la Energía de Ionización es la energía mínima necesaria para que un átomo neutro de un elemento X, en estado gaseoso y en su estado electrónico fundamental, ceda un electrón de su nivel externo y dé lugar a un ion monopositivo X⁺.

• Al aumentar el número atómico de los elementos de un mismo periodo, se incrementa la atracción nuclear sobre el electrón más externo, ya que disminuye el radio atómico y aumenta la carga nuclear efectiva sobre él.
• Al aumentar el número atómico de los elementos de un mismo grupo, disminuye la atracción nuclear sobre el electrón más externo, ya que aumenta el radio atómico mientras que la carga nuclear efectiva no varía sobre él.

La Primera Energía de Ionización (1ª EI) es la energía necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo en estado gaseoso. Para arrancar el siguiente electrón del ion monopositivo formado, se requiere una cantidad de energía llamada Segunda Energía de Ionización (2ª EI), y así sucesivamente.

La EI aumenta al avanzar en un periodo debido a que disminuye el tamaño atómico y aumenta la carga positiva del núcleo. Así, los electrones se atraen con más fuerza y cuesta más arrancarlos. La EI disminuye al descender en un grupo debido a que, aunque aumente la carga nuclear, también aumenta el número de capas electrónicas y el electrón a separar siente menos la atracción de la carga nuclear y necesita menos energía para ser separado del átomo.

Afinidad Electrónica (AE)

Es la energía que se libera cuando un mol de átomos en estado fundamental y gaseoso capta un mol de electrones. Los electrones que entran estarán más atraídos cuanto mayor sea la carga nuclear que los atrae y menor la distancia a la que se sitúan. Por ello, aumentará el valor de la AE al desplazarse en un periodo hacia la derecha y disminuirá al bajar en un grupo.

Electronegatividad

Es la tendencia relativa de los átomos de un elemento para atraer los electrones de otros átomos con los que están enlazados. Su valor aumenta al desplazarse hacia la derecha en un periodo y disminuye al bajar en un grupo.

Conceptos Fundamentales de Química

Termodinámica

• Variación de Energía Interna (ΔU): ΔU = Q + W
• Entalpía (ΔH): ΔH = ΔU + ΔnRT
• Trabajo (W): W = -PΔV (P en Pa, V en m³)
• Calor a Presión Constante (Qp): Qp = ΔH
• Calor a Volumen Constante (Qv): Qv = ΔU
• Entalpía de Enlace (ΔHº_reacc): ΔHº_reacc = Σ(Entalpías de Enlace de enlaces rotos) - Σ(Entalpías de Enlace de enlaces formados)
• Entropía Estándar (ΔSº_reacc): ΔSº_reacc = ΣnSº(productos) - ΣmSº(reactivos)
• Energía Libre de Gibbs (ΔG): ΔG = ΔH - TΔS
• Criterios de Espontaneidad:
  • ΔG < 0: Proceso espontáneo
  • ΔG = 0: Sistema en equilibrio
  • ΔG > 0: Proceso no espontáneo
• Constante de los Gases Ideales (R): R = 8.31 J/mol·K

Regla de Hund

Cuando varios electrones ocupan orbitales de la misma energía, se disponen de modo que se tenga el máximo número de electrones desapareados.

Estructura Atómica

• Número Másico (A): A = Número de Protones (Z) + Número de Neutrones (n)
• Átomo Neutro:
  • Protones = Número Atómico (Z)
  • Electrones = Número de Protones
  • Neutrones = A - Z
• Ion:
  • Protones = Z
  • Electrones = Z ± carga del ion (Z - carga positiva para cationes, Z + carga negativa para aniones)
  • Neutrones = A - Z

Equilibrio Químico

Para una reacción genérica: aA + bB ⇌ cC + dD

Cociente de Reacción (Q)

• Si Q = Kc: El sistema está en equilibrio.
• Si Q < Kc: El sistema evolucionará hacia la derecha, es decir, aumentarán las concentraciones de los productos y disminuirán las de los reactivos hasta que Q se iguale con Kc.
• Si Q > Kc: El sistema evolucionará hacia la izquierda, es decir, aumentarán las concentraciones de los reactivos y disminuirán las de los productos hasta que Q se iguale con Kc.

Nota: En los equilibrios heterogéneos, solo se tienen en cuenta las especies en estado gaseoso o en disolución.

Principio de Le Chatelier

Cuando se somete un sistema en equilibrio a una modificación de la concentración de las especies reaccionantes, de la presión o de la temperatura, el sistema responde alcanzando un nuevo equilibrio que contrarresta parcialmente el efecto de la modificación.

Para una reacción genérica: aA + bB (reactivos) ⇌ cC + dD (productos).

Efecto de la Concentración

• Si aumenta la concentración de reactivos o disminuye la de los productos, Q < Kc y el sistema evolucionará hacia la derecha, favoreciendo la formación de productos.
• Si disminuye la concentración de reactivos o aumenta la de los productos, Q > Kc y el sistema evolucionará hacia la izquierda, favoreciendo la formación de reactivos.

Efecto de la Temperatura

• Un aumento de la temperatura favorece el sentido en que la reacción es endotérmica (ΔH > 0), desplazando el equilibrio hacia la derecha.
• Una disminución de la temperatura favorece el sentido en que la reacción es exotérmica (ΔH < 0), desplazando el equilibrio hacia la izquierda.

Efecto de la Presión (solo para gases)

• Si la presión aumenta, el equilibrio se desplaza hacia donde haya menor número de moles de gas.
• Si la presión disminuye, el equilibrio se desplaza hacia donde haya mayor número de moles de gas.

Efecto del Volumen (solo para gases)

• Si el volumen aumenta, el equilibrio se desplaza hacia donde haya mayor número de moles de gas.
• Si el volumen disminuye, el equilibrio se desplaza hacia donde haya menor número de moles de gas.