Principios Clave de la Química: Estructura, Transformación y Electroquímica

Tipos de Cristales

Cristales Covalentes

Unidos en una red tridimensional por enlaces covalentes, consideradas moléculas infinitas. Se forman entre átomos de elevada y similar electronegatividad. Si crece la polaridad, el enlace covalente no polar se da entre átomos de la misma naturaleza.

Diamante

Cada átomo de C se enlaza con 4 en coordinación tetraédrica. En el diamante, todos los enlaces covalentes son idénticos, con una energía de enlace muy elevada.

Grafito

Buen conductor de electricidad.

Cuarzo

Tipo de cristal covalente. La distribución de átomos de Si en el cuarzo es semejante a la del C en el diamante, pero en el cuarzo hay átomos de O entre cada par de Si. Como Si y O tienen electronegatividades diferentes, el enlace Si-O es polar. El SiO₂ comparte con el diamante la dureza y un punto de fusión alto (1610ºC).

Cristales Metálicos

La estructura de estos es simple. Estructura cúbica centrada en el cuerpo o en las caras. Los elementos metálicos son densos. Los electrones están deslocalizados en el cristal. La fuerza de cohesión, debido a la deslocalización electrónica, da resistencia al material. La movilidad de los electrones deslocalizados hace que los metales sean buenos conductores de calor y electricidad.

Cristales Moleculares

Puntos reticulares ocupados por moléculas que están unidas por fuerzas de Van der Waals y/o enlaces de H. Con la excepción del hielo, las moléculas en los cristales moleculares se empacan tan juntas como su tamaño y forma lo permitan. Debido a que las fuerzas de Van der Waals y los enlaces de H son más débiles que los enlaces iónicos y covalentes, los cristales moleculares son más quebradizos que los covalentes o iónicos. La mayoría de los cristales moleculares se funden a temperaturas menores de 100ºC.

Estados Condensados

Sólidos Amorfos

La forma más estable es la cristalina. Si un sólido se enfría rápidamente, los átomos y moléculas no tienen tiempo de colocarse y quedan como sólidos amorfos. Estos carecen de una distribución tridimensional regular (ejemplo: el vidrio). El vidrio es un producto de la fusión de materiales inorgánicos, ópticamente transparente, formado por dióxido de silicio (SiO₂), óxido de sodio (Na₂O), óxido de boro (B₂O₃) y óxidos de metales de transición que confieren color y otras propiedades.

Transformaciones de Fase

Equilibrio Líquido-Vapor

Las moléculas de un líquido no están fijas en un retículo rígido, pero carecen de libertad total de movimiento. Como los líquidos son más densos que los gases, la velocidad de colisión entre moléculas es mucho mayor en la fase líquida que en la gaseosa. Cuando las moléculas del líquido tienen suficiente energía para escapar de la superficie, ocurre un cambio de fase. La evaporación o vaporización es el proceso por el cual un líquido se transforma en gas. La energía cinética es función directa de la temperatura y, por tanto, a mayor temperatura, más moléculas dejan la fase líquida.

Equilibrio Líquido-Sólido

El paso de líquido a sólido se conoce como congelación. El proceso inverso es la fusión. El punto de fusión de un sólido o el punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio. El punto de fusión (o congelación) normal de una sustancia es la temperatura a la cual una sustancia se funde (o se congela) a 1 atm de presión.

Diagrama de Fases

Las relaciones completas entre las fases sólida, líquida y gaseosa se representan mejor en un solo gráfico conocido como diagrama de fases. Resume las condiciones en las que una sustancia existe como líquido, sólido o gas. Los equilibrios de fases se modifican por la presión externa. Los puntos de ebullición y congelación del agua dependen de las condiciones atmosféricas.

Reacciones Químicas

Ecuaciones Químicas

Es la descripción breve que se hace de la reacción entre distintos elementos, indicando las partes de cada componente (en moles), los reactivos (a la izquierda) y los productos (a la derecha). También se debe indicar el estado físico de reactivos y productos.

Mol

Cantidad de sustancia que contiene tantas entidades elementales del tipo considerado como átomos hay en 12g de C-12. El número de unidades elementales (átomos, moléculas, iones, electrones, radicales u otras partículas o grupos específicos de estas) existentes en un mol de sustancia es una constante que no depende del material ni del tipo de partícula considerado. Esta cantidad es llamada Número de Avogadro (Na) = 6.022·10²³ unidades elementales por mol.

Equivalencias del Mol

• 1 mol = 6.022·10²³ unidades elementales
• 1 mol equivale a la masa atómica en gramos
• 1 mol equivale a la masa molecular de un compuesto
• 1 mol de gas ideal ocupa un volumen V = 22.4 L a 0ºC de temperatura y 1 atm de presión; y de 22.7 L si la presión es de 1 bar (0.987 atm)

Reacciones de Precipitación

Es un tipo común de reacción en disolución acuosa caracterizado por la formación de un producto insoluble o precipitado. Un precipitado es un sólido insoluble que se separa de la disolución. En las reacciones de precipitación, participan compuestos iónicos. Las sustancias pueden ser: solubles (no se aprecia a simple vista el compuesto sólido), ligeramente solubles, insolubles.

Reacciones Ácido-Base

Propiedades

Son sustancias que se ionizan en agua para formar iones (ácidos forman H⁺ y un anión, bases forman OH⁻ y un catión, o aceptan H⁺).

• Ácidos: sabor agrio, ocasionan cambios de color en pigmentos vegetales, reaccionan con metales para producir H₂ gaseoso, reaccionan con carbonatos y bicarbonatos para formar CO₂ gaseoso, las soluciones acuosas de ácidos conducen la electricidad.
• Bases: sabor amargo, ocasionan cambios de color en pigmentos vegetales, presentan resbaladicidad (sensación jabonosa), las disoluciones acuosas de las bases conducen la electricidad.

Los ácidos son compuestos que donan protones y las bases son receptores de protones. Ácidos más utilizados: HCl, HNO₃, CH₃COOH (ácido acético), H₂SO₄. Bases más utilizadas: NaOH, Ba(OH)₂.

Neutralización Ácido-Base

Una reacción de neutralización es la reacción entre un ácido y una base para formar sal + agua. Todas las sales son electrolitos fuertes. La sustancia que se conoce como sal de mesa (NaCl) es un ejemplo. Las sales son el resultado de la reacción entre una base y un ácido.

Estados de Agregación de la Materia

Fase sólida, líquida, gaseosa, plasma.

Plasma

Gas ionizado: los átomos que lo componen se han separado de algunos electrones o de todos ellos. El plasma es un gas compuesto por electrones, cationes y neutrones, todos ellos separados entre sí y libres. Es un excelente conductor. Los estados de la materia pueden ser convertibles entre ellos sin que cambie la composición de la sustancia.

Temperatura de fusión: un sólido (hielo) se fundirá por calentamiento y formará un líquido (agua). Punto de ebullición: temperatura que se necesita para convertir el líquido en gas. Enfriamiento de un gas: lo condensará para formar un líquido. Cuando el líquido se enfríe aún más, se congelará, formando un sólido.

Electroquímica

Reacciones de Oxidación-Reducción (Redox)

Existe transferencia de electrones. El óxido de calcio (CaO) es un compuesto iónico formado por iones Ca²⁺ y O²⁻. En esta reacción, 2 átomos de Ca ceden o transfieren 4 electrones a 2 átomos de O. Cada una de estas etapas recibe el nombre de semirreacción. La reacción de oxidación se refiere a la semirreacción que implica la pérdida de electrones. La reacción de reducción se refiere a la semirreacción que implica una ganancia de electrones.

Corrosión

Reacción química o electroquímica de un metal o aleación con su medio circundante, con el consiguiente deterioro de sus propiedades. La reacción de reducción es la reacción de captación de electrones del medio.

Tipos de Corrosión

Esta clasificación se hace según los criterios:

• Morfología del ataque
• Medio que lo produce
• Condiciones físicas que lo motivan
• Mecanismo a través del cual se producen

A) Corrosión directa: el material opera a alta temperatura, no existe la posibilidad de humedad sobre la superficie metálica.

B) Corrosión electroquímica: supone la existencia de reacciones redox y, por tanto, un traslado de electrones a través del electrolito.

Celdas Electroquímicas

Cuando se sumerge una pieza de cinc metálico en una disolución de CuSO₄ (electrolito), a consecuencia de ser el potencial de reducción del Zn negativo (más bajo) respecto al de reducción del Cu, quiere decir que la tendencia termodinámica hacia la forma reducida del segundo es mayor que la del primero. El electrodo de Zn se disolverá. El metal se oxida a iones Zn²⁺ y los iones Cu²⁺ generados por el electrolito se reducen a Cu metálico. Este dispositivo se conoce como celda electroquímica, galvánica o voltaica. Los electrones fluyen desde el electrodo de Zn (ánodo) al de Cu (cátodo). Los electrones fluirán a través de este circuito gracias a la diferencia de potencial entre ambos electrodos. Estos electrones serán captados por los iones Cu²⁺, reduciéndose y depositándose en forma de Cu metálico en el electrodo de comportamiento catódico.

Para que circule corriente en la celda, es necesario:

• Que pueda haber reacción de transferencia de electrones en cada uno de los electrodos.
• Que dichos electrodos estén conectados mediante un conductor eléctrico.
• Que las dos celdas estén unidas mediante un puente salino.

Pasivación

Propiedad que presentan determinados metales y aleaciones de permanecer prácticamente inertes en determinados medios en los cuales deberían comportarse como metales activos y disolverse a través de mecanismos de corrosión electroquímica.

Corrosión Galvánica

Ocurre cuando dos metales están en contacto eléctrico y en contacto con un medio agresivo en el que puede tener lugar el mecanismo electroquímico de la corrosión.

Protección Catódica

El metal que va a ser protegido de la corrosión se convierte en el cátodo de una celda electroquímica. Si se conecta el metal a proteger a otro más activo, este otro actuará de ánodo y la corrosión puede evitarse.

Pilas Galvánicas

Aquellas que producen electricidad.

Pilas Electrolíticas

Aquellas que consumen energía eléctrica, por lo que hay que aplicarles un potencial. Una celda donde, invirtiendo la dirección de la corriente, se invierte la reacción se llama químicamente reversible.

Pilas de Corrosión

Reacción heterogénea sólido-líquido que transcurre por mecanismo electroquímico.