Química General: Materia, Reacciones, Equilibrio, Energía, Cinética, Estructura Atómica y Enlace Químico

1. Química y materia

Sustancia: materia que no puede separarse por procesos físicos en otras sustancias; puede ser un compuesto o un elemento.

Mezcla: combinación de dos o más sustancias que conservan sus propiedades individuales.

Leyes ponderales

• Ley de conservación de la masa (Lavoisier): la masa antes de una reacción es igual a la masa después de la reacción (m antes = m después).
• Ley de las proporciones definidas o constantes (Proust): un compuesto siempre tiene las mismas proporciones en masa de sus elementos.
• Ley de las proporciones múltiples (Dalton): cuando dos elementos forman más de un compuesto, las masas de uno que se combinan con una masa fija del otro están en relación de números enteros sencillos.

Conceptos atómicos y de concentración

• Número atómico (Z): número de protones.
• Número másico (A): suma de protones y neutrones.
• Masa molecular / masa empírica: relación n = masa molecular / masa empírica.
• Solvatación: interacción entre el soluto y el disolvente; cuando el disolvente es agua, se denomina hidratación.
• Molaridad (M): M = n / V (moles de soluto por litro de disolución).
• Molalidad (m): m = moles de soluto / kg de disolvente.

2. Reacciones químicas y estequiometría

• Conversión = (RL que reacciona / RL inicial) × 100
• Rendimiento = (producto obtenido / producto posible) × 100
• Reacción cuantitativa: rendimiento del 100 %.

Leyes de los gases

• Ley de Avogadro: a T y P constantes, el volumen es proporcional a la cantidad de gas.
• Ley de Dalton: la presión total de una mezcla de gases es la suma de las presiones parciales.

Reacciones ácido-base y redox

• Neutralización: ácido + base → sal + agua.
• Oxidante: gana electrones y se reduce.
• Reductor: pierde electrones y se oxida.

Números de oxidación

• Elemento en estado libre: 0
• Hidrógeno: +1 (excepto en hidruros metálicos)
• Oxígeno: -2
• Flúor: -1
• Metales del grupo 1: +1
• Metales (en general): +2

3. Equilibrio químico

Principio de Le Châtelier: un sistema en equilibrio responde a una perturbación desplazándose en el sentido que contrarresta el cambio.

• Adición de reactivo → el equilibrio se desplaza hacia los productos.
• Extracción de producto → el equilibrio se desplaza hacia la formación de productos.
• Aumento de temperatura → favorece la reacción endotérmica.
• Aumento de volumen → favorece el sentido con mayor número de moles gaseosos.

4. Energía y química

Tipos de procesos

• Endotérmico: ΔH > 0 (absorbe calor).
• Exotérmico: ΔH < 0 (libera calor).

Propiedad intensiva: la temperatura no depende de la masa de la muestra.

Relaciones termodinámicas

• Primer principio: ΔU = q + W
• Universo = sistema + entorno
• Entalpía: H = U + PV
• Proceso espontáneo: ocurre por sí mismo (su inverso no lo es); depende de la temperatura.
• Entropía (S): función de estado que mide el desorden. Al aumentar T, aumenta S.
• Energía de Gibbs: G = H - TS, energía disponible para realizar un trabajo. Es función de estado. Si ΔG < 0, el proceso es espontáneo.
• Ley de Hess: se puede aplicar porque la entalpía es una función de estado.

5. Cinética química

• Velocidad de reacción: v = (1/coeficiente) × (ΔM / Δt)
• Ecuación de Arrhenius: k = A·e^(-Ea/RT)
• Relación entre constantes: ln(k₁/k₂) = -(Ea/R) × (1/T₂ - 1/T₁)

Factores que influyen en la velocidad

• Concentración: aumenta el número de colisiones.
• Catalizador: disminuye la energía de activación.
• Estado físico de los reactivos: influye según el estado (p. ej., gas).
• Temperatura: aumenta la constante de velocidad k.

Reacciones exotérmicas (ΔH < 0) suelen tener Ea pequeña; reacciones endotérmicas (ΔH > 0) suelen tener Ea grande.

6. Estructura atómica

Espectros y niveles de energía

• Ecuación de Rydberg: 1/λ = R_H (1/n₁² - 1/n₂²), con n₁ < n₂.
• Energía del electrón en un nivel: E = -hcR_H (1/n²)
• Energía en un cambio de nivel: E = -hcR_H (1/n_f² - 1/n_i²)

Números cuánticos y configuración

• Capa: número cuántico principal n.
• Subcapas: l determina los orbitales s, p, d, f.
• Número cuántico magnético (m): valores de -l a +l, pasando por 0.
• Electrones por subcapa: 2l + 1 orbitales (2 electrones por orbital).
• Orbitales por capa: n².

Principios

• Principio de exclusión de Pauli: dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales.
• Regla de Hund: los electrones ocupan los orbitales de forma que la energía sea mínima y el espín total sea máximo.

Propiedades periódicas

• Grupo: elementos con propiedades químicas similares.
• Carga nuclear efectiva: Z_ef = Z - S (número atómico menos la constante de apantallamiento).
• Radio atómico: aumenta hacia abajo e izquierda.
• Energía de ionización (EI): aumenta hacia arriba y a la derecha.
• Afinidad electrónica (AE): aumenta hacia la derecha.

7. Enlace químico

Tipos de enlace

• Enlace iónico: transferencia de electrones entre metal y no metal. Son sólidos duros y frágiles, con alto punto de fusión y baja conductividad en estado sólido; son solubles en disolventes polares.
• Enlace covalente: compartición de electrones entre no metales.
• Enlace metálico: modelo de banda de valencia (BVAL) y banda de conducción (BCOND):
  • Conductor: bandas continuas.
  • Semiconductor: pequeña diferencia de energía entre bandas.
  • Aislante: gran diferencia de energía entre bandas.

Radios iónicos

Radio del anión > átomo neutro > catión.

Energía de red

Energía necesaria para separar un mol de un compuesto iónico sólido en sus iones gaseosos. Se puede estimar con E = k·q₁·q₂ / d.

Propiedades de los enlaces covalentes

• Orden de enlace: la longitud de enlace disminuye al aumentar el número de electrones compartidos.
• Electronegatividad (EN): capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí; aumenta hacia arriba y a la derecha. Cuanto mayor es la EN, menor es la longitud de enlace.
• Momento dipolar: determina el tamaño del dipolo en una molécula.
• Energía de disociación de enlace: energía necesaria para romper un mol de enlaces covalentes en fase gaseosa. Es mayor en enlaces dobles y triples que en simples.
• Entalpía de reacción: ΔH_reacción = Σ(energía de enlaces rotos) - Σ(energía de enlaces formados).