Principios Fundamentales de Química: Conceptos Clave y Reacciones
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Fundamentos de Química General
El Método Científico
El método científico es un proceso sistemático para investigar fenómenos, adquirir nuevos conocimientos o corregir e integrar conocimientos previos. Sus etapas clave incluyen:
- Observación: Definir el problema o fenómeno a estudiar.
- Experimentación: Desarrollar experimentos, hacer observaciones y anotar datos relevantes del universo a investigar.
- Ley: Con una cantidad suficiente de datos, se resume de forma concisa como una Ley (Enunciado conciso, verbal o matemático, de una relación entre fenómenos que se repite bajo las mismas condiciones). Una ley no trata de explicar, simplemente enuncia.
- Hipótesis: Formulación de una Hipótesis (explicación tentativa para una serie de observaciones). Es una suposición no demostrada basada en los datos recolectados en los experimentos.
Conceptos Químicos Fundamentales
Compuestos y Iones
Un compuesto es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas.
La pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo neutro forma un catión, un ion con carga neta positiva.
Un anión es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el número de electrones.
Propiedades Periódicas
Energía de Ionización
La Energía de Ionización es la mínima energía (en kJ/mol) necesaria para quitar un electrón de un átomo en estado gaseoso, en su estado fundamental.
Electronegatividad
La Electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer hacia sí los electrones de un enlace químico.
Radio Iónico
El Radio Iónico es el radio de un catión o anión. Afecta las propiedades físicas y químicas de un compuesto iónico.
- Si forma un anión, su tamaño (radio) aumenta debido a que la carga nuclear permanece constante, pero la repulsión por la adición de un electrón aumenta el dominio de la nube electrónica.
- Si forma un catión, al quitar electrones se reduce la repulsión electrón-electrón, pero la carga nuclear permanece constante, así la nube electrónica se contrae y el catión es más pequeño.
Tipos de Enlaces Químicos
Los enlaces químicos son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en las moléculas y compuestos. Existen principalmente tres tipos:
- Enlace Iónico: Formado por transferencia de uno o más electrones de un átomo o grupo de átomos a otro, típicamente entre metales y no metales.
- Enlace Covalente: Aparece cuando se comparte uno o más pares de electrones entre dos átomos. Estos dos tipos de enlaces son extremos y todos los enlaces tienen algo de ellos. Se forman entre no metales, cuando dos átomos comparten sus electrones.
- Enlace Metálico: En los metales, cada átomo está unido a varios átomos vecinos. Los electrones enlazantes son relativamente libres de moverse a través de la estructura tridimensional. Los átomos de los elementos metálicos se caracterizan por tener pocos electrones de valencia (electrones de la última capa) y no pueden formar enlaces covalentes, pues compartiendo electrones no pueden llegar a adquirir la estructura de gas noble.
Electronegatividad y Carácter del Enlace
La diferencia en electronegatividad entre los átomos de un enlace determina qué átomo adquiere la mayor parte de la densidad electrónica del enlace y, por lo tanto, determina el carácter iónico del enlace.
Fuerzas Intermoleculares
Las fuerzas intermoleculares son atracciones entre moléculas que determinan muchas de las propiedades físicas de las sustancias.
- Atracción Dipolo-Dipolo: Existen compuestos cuyas moléculas están formadas por átomos que tienen diferente electronegatividad (enlace covalente polar) y que se hallan dispuestos de forma que en la molécula existen zonas con mayor densidad de electrones que otras (polo negativo y positivo, respectivamente). Entre los polos de distinto signo se establecerán fuerzas eléctricas atractivas.
- Puente de Hidrógeno: Un puente de hidrógeno es una unión de tipo intermolecular generada por un átomo de hidrógeno que se halla entre dos átomos fuertemente electronegativos. De hecho, solo los átomos de F, O y N tienen la electronegatividad y condiciones necesarias para intervenir en un enlace de hidrógeno.
- Fuerzas de London: Se dan entre átomos de moléculas apolares, son muy débiles y resultan en puntos de ebullición muy bajos.
Estequiometría Básica
Rendimiento Teórico
La cantidad máxima que puede obtenerse de un determinado producto en una reacción química se denomina Rendimiento Teórico.
Reactivo Limitante
El Reactivo Limitante es aquel que está en menor cantidad en una reacción química (limita la reacción).
Clasificación de Reacciones Químicas
Las reacciones químicas se pueden clasificar según cómo se combinan o se separan los reactivos y productos:
- Reacciones de Adición: Dos o más reactivos se combinan para formar un producto.
- Reacciones de Descomposición: Un reactivo se rompe para originar dos o más productos.
- Reacciones de Sustitución o Desplazamiento: Un elemento reemplaza a otro en un compuesto.
- Reacciones de Doble Sustitución o Intercambio: Se intercambian los elementos de dos compuestos.