1.2 Química: una visión molecular de la materia

alguno. Por ejemplo, la energía calorífica puede convertirse en energía eléctrica o mecánica sin que ocurra ningún cambio químico en forma simultánea.

En muchos experimentos se ha demostrado que toda la energía que interviene en cualquier cambio químico o físico aparece en alguna forma luego del cambio. Estas observaciones se resumen en la ley de la conservación de la energía:

En una reacción química o en un cambio físico, la energía no se crea ni se destruye: sólo puede convertirse de una forma a otra.

▶ La electricidad se genera en plantas hidroeléctricas mediante la conversión de energía mecánica (de agua que fluye) a energía eléctrica.

▶ Einstein formuló esta ecuación en 1905 como parte de su teoría de la relatividad. Su validez se demostró en 1939 con la primera reacción nuclear controlada.

Un nanómetro, nm, es equivalente a 10 angstroms, Å, unidad usada de manera común para expresar distancias atómicas. Todos los átomos y muchas moléculas pequeñas tienen un tamaño menor que 1 nm y, por lo tanto, se les considera subnano.

Ley de la conservación de la materia y de la energía

Con el surgimiento de la era nuclear en la década de 1940 los científicos y, por lo tanto, el mundo, se dieron cuenta de que la materia podía convertirse en energía. En las reacciones nucleares la materia se transforma en energía. La relación entre materia y energía está dada por la ahora famosa ecuación de Albert Einstein

E 5 mc2

Esta ecuación nos indica que la cantidad de energía que se desprende cuando la materia se transforma en energía es igual a la masa de materia transformada multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Incluso una bomba de hidrógeno convierte sólo una pequeña cantidad de materia en energía. Hasta ahora no hemos observado (a sabiendas) la transformación a gran escala de energía en materia. Sin embargo, ocurre a muy pequeña escala en los aceleradores de partículas (“rompedores de átomos”) que se emplean para inducir reacciones nucleares. Ahora que se conoce la equivalencia entre materia y energía, la ley de la conservación de la materia y de la energía puede enunciarse en una oración sencilla:

La cantidad combinada de materia y energía del universo es constante.

1.2

La inmensa variedad de materia presente en nuestro mundo está formada por las combinaciones de sólo alrededor de 100 sustancias muy básicas llamadas elementos. Podemos mencionar que nuestras experiencias cotidianas con la materia tienen lugar a macroescala, es decir, tratamos con muestras de materia de un tamaño que podemos ver, tocar y manejar. No obstante, las entidades fundamentales que componen la materia son los átomos y las moléculas, los cuales integran elementos y compuestos. En nuestras interacciones con la materia no tocamos ni observamos estas partículas individuales, en extremo diminutas. Los átomos y las moléculas existen en la nanoescala.(El significado general del prefijo “nano” es excesivamente pequeño; como veremos después en este capítulo, su significado numérico definido es el de 1 milmillonésimo de.)La visión química de la naturaleza es que todo en el mundo que nos rodea se compone de átomos combinados en formas muy definidas. La mayoría de las sustancias se compone de pequeñas unidades llamadas moléculas. Todas las propiedades y comportamientos de la materia provienen de las propiedades de sus átomos y moléculas y de la manera en que interactúan entre sí. En nuestro estudio de la química siempre trataremos de relacionar nuestras observaciones macroscópicas de la materia con las propiedades y comportamiento a nanoescala de los átomos y moléculas que la componen. Comprender estas relaciones es la verdadera esencia de la química; nos proporciona un medio eficaz para describir el mundo que nos rodea, y la esperanza de ejercer cierto control responsable sobre ella a medida que buscamos respuestas a preguntas como las del inicio de este capítulo.

En todo el libro estudiaremos los átomos y moléculas con más detalle. Por ahora, veamos algunas de las maneras básicas en que los químicos las representan y cómo piensan en torno a estas partículas importantes.

El filósofo griego Demócrito (470-400 a.C.) sugirió que toda la materia se componía de partículas indivisibles, discretas y muy pequeñas a las que llamó átomos. Sus ideas, basadas por completo en especulaciones filosóficas más que en pruebas experimentales, fueron rechazadas por más de 2000 años. A finales del siglo xviii, los científicos comenzaron a darse cuenta de que

ANALICE

▶ El término “átomo” proviene del griego y significa “indivisible”. Sabemos ahora que los átomos pueden dividirse y que están compuestos de partículas subatómicas más pequeñas.

el concepto de átomos daba explicación a muchas observaciones experimentales acerca de la naturaleza de la materia.

A principios del siglo xix se había aceptado la ley de la conservación de la materia (consulte la sección 1.1) y la ley de las proporciones definidas (consulte la sección 1.6) como descripciones generales del comportamiento de la materia. John Dalton (1766-1844), un profesor inglés, trató de explicar por qué la materia se comportaba en formas sistemáticas como las mencionadas aquí. En 1808 publicó las primeras ideas “modernas” acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. La explicación de Dalton resumía y ampliaba los nebulosos conceptos de los primeros filósofos y científicos; aun de mayor importancia fue que sus ideas se basaban en los resultados experimentales reproducibles de las mediciones de muchos científicos. Estas ideas constituyen la parte central de la teoría atómica de Dalton, uno de los hitos en la historia del pensamiento científico. En síntesis, las ideas de Dalton pueden enunciarse de la manera siguiente:

▶ El radio de un átomo de calcio es de sólo 0.000 000 019 7 cm, y su masa es de 0.000 000 000 000 000 000 000 066 6 g. En breve, en este capítulo aprenderemos una mejor forma de representar estos números.

Para ver la figura a color, acceda al código QR.

▶ En los elementos del grupo 8A, los gases nobles, una molécula sólo tiene un átomo y por esta razón una molécula y un átomo son iguales (véase la figura 1.2).

Figura 1.2 Tamaño relativo de los átomos de los gases nobles.

He Ne Ar Kr Xe Rn 1. Un elemento se compone de partículas indivisibles en extremo pequeñas llamadas átomos. 2. Todos los átomos de un elemento dado tienen propiedades idénticas y difieren de las de los demás elementos. 3. Los átomos no pueden crearse, destruirse o transformarse en átomos de otro elemento. 4. Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan entre sí en una relación de números enteros sencilla. 5. El número y el tipo relativos de los átomos de un compuesto dado son constantes.

Dalton creía que los átomos eran esferas sólidas indivisibles, una idea que ahora rechazamos. Sin embargo, fue capaz de profundizar en el conocimiento que había sobre la naturaleza de la materia y sus interacciones. Algunas de sus ideas no pudieron verificarse (ni refutarse) por medios experimentales de su época. Estas se basaban en las observaciones experimentales limitadas de esos días. Aun con sus deficiencias, las ideas de Dalton sentaron las bases que más tarde modificaron y ampliaron otros científicos. Por tales razones, a John Dalton se le suele considerar el padre de la teoría atómica moderna.

La partícula más pequeña de un elemento que conserva su identidad química cuando se somete a cambios químicos o físicos recibe el nombre de átomo (figura 1.2). En el capítulo 4 estudiaremos en detalle la estructura del átomo y aquí simplemente resumiremos las características principales de la composición atómica. Los átomos y, por lo tanto, toda la materia se componen principalmente de tres partículas fundamentales: electrones, protones y neutrones. Estas son los componentes básicos de los átomos. En la tabla 1.1 se muestran la masa y la carga de las tres partículas fundamentales. La magnitud de la masa de protones y neutrones es casi igual, pero la masa de un electrón es mucho más pequeña. Los neutrones no tienen carga y la magnitud de la carga de un protón es igual, pero de carga contraria, a la de un electrón. Como todo átomo es eléctricamente neutro, el número de electrones y protones es el mismo.

El número atómico (su símbolo es Z) de un elemento se define como el número de protones presentes en el núcleo atómico. En la tabla periódica los elementos están en orden de número atómico creciente. Estos son los números en rojo situados arriba del símbolo de los elementos de la tabla periódica que se encuentra al final del libro. Por ejemplo, el número atómico de la plata es 47.

Una molécula es la partícula más pequeña de un elemento o compuesto que puede tener existencia estable e independiente. En casi todas las moléculas, dos o más átomos están unidos formando unidades (partículas) discretas muy pequeñas que son eléctricamente neutras.

Tabla 1.1 Partículas fundamentales de la materia.

Partícula (símbolo) Masa aproximada (uma)*

Carga (escala relativa)

Electrón (e 2) 0.0 12

Protón (p o p1) 1.0 11 Neutrón (n o n0) 1.0 ninguna

Los átomos individuales de oxígeno, por ejemplo, no son estables a temperatura ambiente y a presión atmosférica. En estas condiciones, los átomos de oxígeno se combinan con rapidez para formar pares conectados mediante enlaces químicos. El oxígeno que conocemos se compone de dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica cuya fórmula es O2. El hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo son ejemplos de moléculas diatómicas (figura 1.3).

Algunos otros elementos existen como moléculas más complejas. Una forma de moléculas de fósforo se compone de cuatro átomos, y el azufre existe en forma de moléculas anulares de ocho átomos a temperatura y presión ordinarias. Las moléculas que tienen dos o más átomos reciben el nombre de moléculas poliatómicas (figura 1.4).

En la terminología moderna, el O2 se llama dioxígeno; el H2, dihidrógeno; el P4, tetrafósforo, y así sucesivamente. Aunque esta terminología es oficial, no ha sido muy aceptada, porque casi todos los químicos conocen el O2 como oxígeno, el H2 como hidrógeno, el P4 como fósforo, y así sucesivamente.

Las moléculas de los compuestos están constituidas por más de un tipo de átomo en proporción definida. Una molécula de agua se compone de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mientras que una molécula de metano tiene un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. En la figura 1.5 se muestra la forma de algunas moléculas con modelos de barras y esferas.

H2 (hidrógeno)

O2 (oxígeno)

F2 (flúor)

I2 (yodo)

Figura 1.3 Modelos de moléculas diatómicas de algunos elementos, aproximadamente a escala. Reciben el nombre de modelos compactos porque muestran el tamaño relativo de los átomos.

Modelo de la molécula de A P4 de fósforo blanco B Modelo del anillo de S8 presente en el azufre rómbico Vista superior del anillo C de S8 del azufre rómbico

Figura 1.4 Modelos compactos de algunos elementos poliatómicos. ▶ Debe recordar los elementos comunes que existen como moléculas diatómicas: H2, N2, O2, F2, Cl2, Br2, I2.

Algunos prefijos comunes son: di 5 dos tri 5 tres tetra 5 4 penta 5 5 hexa 5 6 poli 5 más de uno

▶ El metano, CH4, es el componente principal del gas natural.

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H2O (agua) CO2 (dióxido de carbono)

CH4 (metano)

Figura 1.5 Fórmulas y modelos de barras y esferas de algunos compuestos. Estos modelos representan a los átomos como esferas más pequeñas que los modelos compactos, a fin de mostrar los enlaces químicos entre los átomos por medio de “barras”. Una sola “barra” entre dos átomos representa enlaces sencillos, dos barras representan enlaces dobles, tres barras representan enlaces triples, etcétera.

C2H5OH (alcohol etílico)

© J. Stroscio y R. Celotta/ NIST © Don Eigler/ IBM Almaden Research Institute

Logotipo del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología ( A NIST, por su sigla en inglés) de Estados Unidos construido con átomos de cobalto sobre una superficie de cobre. Los electrones de la superficie de cobre metálico en interacción con átomos de cobalto generan las “ondas” sobre la superficie azul. Esto se asemeja a los patrones ondulatorios y de interferencia que se producen cuando se arrojan piedritas a un estanque. 34 átomos de hierro (conos) B distribuidos sobre una superficie de cobre.

Figura 1.6

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Los átomos son los componentes básicos de las moléculas y éstas son la forma estable de muchos elementos y compuestos. Podemos estudiar muestras de compuestos y elementos que se componen de un número grande de átomos y moléculas. Con el microscopio de sonda de barrido ahora es posible “ver” átomos (figura 1.6); necesitaríamos millones de átomos para trazar una línea del diámetro del punto al final de esta oración.

Ejemplo 1.1

Observe los modelos siguientes:

i) kriptón

iv) aspirina ii) etano

v) dióxido de azufre

a) ¿Cuál de estos modelos representa un átomo? b) ¿Cuál de estos modelos representa una molécula? c) ¿Cuál de estos modelos representa un elemento? d) ¿Cuál de estos modelos representa un compuesto?

RAZONAMIENTO MOLECULAR

iii) nitrógeno

vi) cobre