Materia, estructura y composición, estados de agregación y clasificación.

Materia: es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

La materia está integrada por átomos, partículas diminutas que, a su vez, se componen de otras aún más pequeñas, llamadas partículas subatómicas, las cuales se agrupan para constituir los diferentes objetos. Un átomo es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia y puede entrar en combinación. Está constituido por un núcleo, en el cual se hallan los protones y neutrones y una corteza, donde se encuentran los electrones. Cuando el número de protones del núcleo es igual al de electrones de la corteza, el átomo se encuentra en estado eléctricamente neutro. Se denomina número atómico al número de protones que existen en el núcleo del átomo de un elemento. Si un átomo pierde o gana uno o más electrones adquiere carga positiva o negativa, convirtiéndose en un ion. Los iones se denominan cationes si tienen carga positiva y aniones si tienen carga negativa. En la naturaleza los átomos se combinan formando las moléculas. Una molécula es una agrupación de dos o más átomos unidos mediante enlaces químicos. La molécula es la mínima cantidad de una sustancia que puede existir en estado libre conservando todas sus propiedades químicas. Todas las sustancias están formadas por moléculas. Una molécula puede estar formada por un átomo (monoatómica), por dos átomos (diatómica), por tres átomos (triatómica) o más átomos (poliatómica) Las moléculas de los cuerpos simples están formadas por uno o más átomos idénticos (es decir, de la misma clase). Las moléculas de los compuestos químicos están formadas al menos por dos átomos de distinta clase (o sea, de distintos elementos).

Estados de agregación y clasificacion

La materia másica se presenta en las condiciones imperantes en el sistema solar, en uno de cuatro

estados de agregación molecular: sólido, líquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teoría cinética

molecular la materia se encuentra formada por moléculas y éstas se encuentran animadas de

movimiento, el cual cambia constantemente de dirección y velocidad cuando chocan o bajo el influjo de

otras interacciones físicas. Debido a este movimiento presentan energía cinética que tiende a

separarlas, pero también tienen una energía potencial que tiende a juntarlas. Por lo tanto el estado

físico de una sustancia puede ser:

Sólido: si la energía cinética es menor que la potencial.

Líquido: si la energía cinética y potencial son aproximadamente iguales.

Gaseoso: si la energía cinética es mayor que la potencial.

1.1.1 Sustancias puras elementos y compuestos

Sustancia: es una forma de materia que tiene una composición constante y con propiedades distintivas.

Mezcla: es una combinación de dos o más sustancias conservan sus propiedades características. ejemplo

el aire, bebidas gaseosas. Las mezclas no tienen una composición constante, por lo tanto, las muestras

de aire tomadas de diferentes ciudades probablemente tendrán una composición distinta debido a sus

diferencias en altitud, contaminación etc. Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas.

Las mezclas homogéneas; la composición de la mezcla es la misma en la disolución, y que este tipo de

mezcla tiene una característica física particular, la cual es que no se distinguen las sustancias una de las

otras. Ejemplo, agua con azúcar.

Las mezclas heterogéneas; es que su composición no es uniforme y su característica física particular, es

que si se distinguen las sustancias una de las otras ejemplo; agua con arena.

Sustancias pueden ser elementos o compuestos.

Elemento: es una sustancia que no se puede separar en sustancias más simples por medios químicos.

Compuesto: es una sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos químicamente en

proporciones definidas. a diferencia de las mezclas, los compuestos solo pueden separarse por medios

químicos en sus componente puros.

1.1.2 Dispersión de Mezclas

Dispersiones: Una dispersión es un sistema formado por partículas de gran tamaño (sólidas, líquidas o

gaseosas) o por un conjunto de partículas de tamaño más pequeño pero "unidas entre sí" formando un

aglomerado de tamaño mucho más grande, esparcidas en un medio continúo. La fase que se encuentra

dividida se denomina fase dispersa y la fase continua, fase dispersante. Algunas veces, la fase dispersa

está formada por partículas tan pequeñas que no parece que fuera un sistema heterogéneo. Por

ejemplo, la leche, a simple vista parece un sistema homogéneo, sin embargo, con la ayuda de un

microscopio especial podemos verificar que en realidad se trata de un sistema formado por pequeños

glóbulos de grasa butirosa que se encuentran suspendidos en agua.

Los químicos han convenido en considerar que las dispersiones pueden clasificarse en tres grandes

grupos:

i) Las dispersiones groseras, que son aquellas en las cuales el tamaño de las partículas dispersas

se puede observar a simple vista. Por ejemplo, el polvo suspendido en el aire.

ii) El segundo tipo de dispersiones se denomina dispersiones finas. Aquí las partículas dispersas

ya no pueden observarse a simple vista pero sí con la ayuda de un microscopio.

iii) Un tercer tipo de dispersiones son las llamadas dispersiones coloidales o “soles”, en las

cuales las partículas dispersas son tan pequeñas que ya no pueden verse con un microscopio

normal, pero sí con un ultramicroscopio.

1.1.3 Características de los Estados de Agregación

Sólido.- Poseen forma propia, sus moléculas se hallan en un estado de orden regular, no son

compresibles, entre sus moléculas predomina la fuerza de atracción Van der Waals.

Vítreo- Líquido de alta viscosidad que ha perdido su capacidad de fluir.

Pastoso- Líquido de alta viscosidad factible de moldeo.

Gel- Suspensión coloidal de partículas sólidas en un líquido, en el que éstas forman una especie

de red que le da a la suspensión cierto grado de firmeza elástica.

Liquido.- No tiene forma propia, sus moléculas no se hallan en estado de orden regular, tiene superficie

libre y horizontal, no son compresibles, las fuerzas de atracción y repulsión están equilibradas.

Gaseoso.- No tienen forma propia, sus moléculas tienen mucha movilidad y lo hacen en espacios muy

grandes con respecto a su propio volumen, poseen fuerza expansiva, no tienen superficie libre, son

fácilmente compresibles, predominan entre sus moléculas las fuerzas de repulsión.

Gel.- Gas ionizado en que los átomos se encuentran disociados en electrones e iones positivos cuyo

movimiento es libre. La mayor parte del universo está formado por plasma.

1.1.4 Cambio de estado

Se denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre varios estados de agregación sin que

ocurra un cambio en su composición. Los tres estados básicos son el sólido, el líquido y el gaseoso.

Inicial\Final Sólido Líquido Gas

Sólido

fusión

Sublimación, sublimación progresiva o sublimación directa

Líquido solidificación

evaporación y ebullición

Gas sublimación

inversa o regresiva condensación y licuefacción (Licuación)

1.1.5 Clasificación de las sustancias naturales por semejanzas en: propiedades físicas y químicas.

La materia presenta diversas propiedades que la caracterizan, algunas de ellas identifican a toda la materia, por ello se les llama propiedades generales; otras, como las propiedades particulares de la materia sólida, precisan ciertas características de un grupo; y las que determinan las diferencias entre una sustancia y otra se llaman propiedades específicas.

Hay dos tipos de propiedades que presenta la Materia, Propiedades Extensivas y Propiedades Intensivas. Las Propiedades Extensivas dependen de la cantidad de Materia, por ejemplo, el peso, volumen, longitud, energía potencial, calor, etc. Las Propiedades Intensivas no dependen de la Cantidad de Materia y pueden ser una relación de propiedades, por ejemplo: Temperatura, Punto de Fusión, Punto de Ebullición, Índice de Refracción, Calor Específico, Densidad, Concentración, etc. Las Propiedades Intensivas pueden servir para identificar y caracterizar una sustancia pura. A continuación se presenta una tabla con algunas de estas propiedades para el Agua.

CUALES SON LAS PROPIEDADES GENERALES DE LA MATERIA Y SU CONCEPTO.

Masa: es la cantidad de materia que tiene un cuerpo, su unidad fundamental en el Sistema Internacional de Unidades es el kilogramo (kg) y en el Sistema Inglés es la libra (lb) .Para medir masas muy pequeñas, como la del átomo, se emplea la uma (u) que es la unidad atómica de masa cuya equivalencia es:

El gramo (g) es una unidad de masa muy utilizada y se puede representar con múltiplos y submúltiplos.

Peso: es la atracción que ejerce la Tierra sobre los cuerpos hacia su centro, es decir, el efecto que tiene la gravedad terrestre sobre ellos.

Volumen: Un cuerpo es el lugar o espacio que ocupa. Existen cuerpos de muy diversos tamaños. Para expresar el volumen de un cuerpo se utiliza el metro cúbico (m³) y demás múltiplos y submúltiplos. Con respecto a estas unidades de medida del volumen, existen equivalencias importantes con relación a las de capacidad:

Un decímetro cúbico (dm³) = 1 litro (l) y un centímetro cúbico (cm³) = 1 mililitro (ml)

Inercia: es la resistencia que presenta un cuerpo a cambiar su estado de reposo o de movimiento, mientras no exista una fuerza que lo modifique.

Impenetrabilidad: es la propiedad que tienen los cuerpos de no poder ocupar el mismo lugar o espacio al mismo tiempo.

Divisibilidad: es la propiedad que tiene la materia de ser dividida en partículas muy pequeñas.

Porosidad: en la agregación molecular se forman espacios libres denominados poros.

Propiedades específicas

Las propiedades que diferencian un tipo de materia de otra se denominan específicas y se clasifican en físicas y químicas.

Algunas de las propiedades físicas son: dureza, tenacidad, maleabilidad, ductibilidad, punto de fusión, punto de ebullición, las organolépticas y densidad.

Dureza: es la resistencia de los cuerpos a ser rayados.

Tenacidad: es la resistencia de la materia a ser fraccionada por tensión.

Maleabilidad: es la capacidad que tienen los metales para formar láminas.

Ductibilidad: es la propiedad de los metales para formar alambres o hilos muy delgados.

Punto de ebullición: es la temperatura a la que hierve un líquido y pasa al estado de gas o vapor.

Punto de fusión: es la temperatura en la que un cuerpo sólido pasa al estado líquido.

1.1.6 Base experimental de la teoria cuantica y estructura atomica

Número Atómico.- Número de electrones que es igual a su número de protones del elemento.

Número de Masa.- Es la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo.

Isótopo.- Es el elemento que tiene igual número atómico que otro con distinto número de neutrones y

por lo tanto diferente número de masa.

Masa Atómica.- Es la suma promedio de los isótopos que existen en la naturaleza comparado con el

carbono 12 (C¹ ). Es la suma promedio de los isótopos.

Masa Formula.- Es la suma de la masa atómica de todos los átomos presentes en la formula.

Masa Molecular.- La suma de las masas atómicas de todos los átomos que forman una molécula y se

expresa en U. M. A..

Negro de Carbono ó Negro de Humo.- producto del carbono derivado del petróleo y se asemeja a lo que

es el cuerpo negro. Ejemplo: Las llantas de los carros.

1.1.7 La radiación del cuerpo negro

La superficie de un cuerpo negro es un caso límite, en el que toda la energía incidente desde el exterior es absorbida, y toda la energía incidente desde el interior es emitida.

No existe en la naturaleza un cuerpo negro, incluso el negro de humo refleja el 1% de la energía incidente.

Sin embargo, un cuerpo negro se puede sustituir con gran aproximación por una cavidad con una pequeña abertura. La energía radiante incidente a través de la abertura, es absorbida por las paredes en múltiples reflexiones y solamente una mínima proporción escapa (se refleja) a través de la abertura. Podemos por tanto decir, que toda la energía incidente es absorbida.

Consideremos una cavidad cuyas paredes están a una cierta temperatura. Los átomos que componen las paredes están emitiendo radiación electromagnética y al mismo tiempo absorben la radiación emitida por otros átomos de las paredes. Cuando la radiación encerrada dentro de la cavidad alcanza el equilibrio con los átomos de las paredes la cantidad de energía que emiten los átomos en la unidad de tiempo es igual a la que absorben. En consecuencia, cuando la radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con las paredes, la densidad de energía del campo electromagnético es constante.

A cada frecuencia corresponde una densidad de energía que depende solamente de la temperatura de las paredes y es independiente del material del que están hechas.

Si se abre un pequeño agujero en el recipiente, parte de la radiación se escapa y se puede analizar. El agujero se ve muy brillante cuando el cuerpo está a alta temperatura, y se ve completamente negro a bajas temperaturas.

Históricamente, el nacimiento de la Mecánica Cuántica, se sitúa en el momento en el que Max Panck explica el mecanismo que hace que los átomos radiantes produzcan la distribución de energía observada. Max Planck sugirió en 1900 que

1. La radiación dentro de la cavidad está en equilibrio con los átomos de las paredes que se comportan como osciladores armónicos de frecuencia dada .

2. Cada oscilador puede absorber o emitir energía de la radiación en una cantidad proporcional a . Cuando un oscilador absorbe o emite radiación electromagnética, su energía aumenta o disminuye en una cantidad h .

La segunda hipótesis de Planck establece que la energía de los osciladores está cuantizada. La energía de un oscilador de frecuencia sólo puede tener ciertos valores que son 0, h , 2h ,3h ....nh .

Se denomina u( )d a la densidad de energía correspondiente a la radiación cuyas frecuencias están comprendidas entre y +d . Se ha comprobado experimentalmente, desde finales del siglo pasado que la variación observada de u( ) con la frecuencia presenta un máximo a cierta frecuencia y que dicha frecuencia se incrementa con el aumento de la temperatura. Esto explica el cambio de color de un cuerpo a medida que se aumenta su temperatura.

La expresión de la densidad de la energía en la radiación del cuerpo negro u( ) se obtiene actualmente a partir de la fórmula de la estadística de Bose-Einstein, y no mediante el desarrollo original de Planck.

donde k es la constante de Boltzmann cuyo valor es k=1.3805 10-23 J/K.

La densidad de energía del cuerpo negro, se suele expresar en términos de la longitud de onda en vez de la frecuencia .

1.1.8 Teoria atómica de Bohr

Niels Bohr (1885-1962 fue un físico danés que aplicó por primera vez la hipótesis cuántica a la estructura atómica, a la vez que buscó una explicación a los espectros discontinuos de la luz emitida por los elementos gaseosos. Todo ello llevó a formular un nuevo modelo de la estructura electrónica de los átomos que superaba las dificultades del átomo de Rutherford.

Este modelo implicaba los siguientes postulados:

1.- El electrón tenía ciertos estados definidos estacionarios de movimiento (niveles de energía) que le eran permitidos; cada uno de estos estados estacionarios tenía una energía fija y definida.

2.- Cuando un electrón estaba en uno de estos estados no irradiaba pero cuando cambiaba de estado absorbía o desprendía energía.

3.- En cualquiera de estos estados, el electrón se movía siguiendo una órbita circular alrededor del núcleo.

4.- Los estados de movimiento electrónico permitidos eran aquellos en los cuales el momento angular del electrón (m · v · r ) era un múltiplo entero de h/2 · 3.14.

Vemos pues que Bohr aplicaba la hipótesis cuántica por Planck en 1900.

La teoría ondulatoria electromagnética de la luz era satisfactoria en cuanto explicaba algunos fenómenos ópticos tales como la difracción o la dispersión, pero no explicaba otros fenómenos tales como la irradicación de un cuerpo sólido caliente. Planck resolvió el problema suponiendo que un sistema mecánico no podía tener cualquier valor de la energía, sino solamente ciertos valores.

Así, en un cuerpo sólido caliente que irradia energía, Planck consideró que una onda electromagnética de frecuencia era emitida por un grupo de átomos que circulaba con la misma frecuencia.

Aplicando esta hipótesis a la estructura electrónica de los átomos se resolvía la dificultad que presentaba el átomo de Rutherford. El electrón, al girar alrededor del núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se situaba en unos estados estacionarios de movimiento que tenían una energía fija. Un electrón sólo perdía o ganaba energía cuando saltaba de un estado (nivel) a otro.

Por otro lado, el modelo de Bohr suponía una explicación de los espectros discontinuos de los gases, en particular del más sencillo de todos, el hidrógeno. Una raya de un espectro correspondía a una radiación de una determinada frecuencia.

¿Por qué un elemento emite solamente cierta frecuencia ? Veamos la respuesta:

En condiciones normales los electrones de un átomo o ion se sitúan en los niveles de más baja energía. Cuando un átomo recibe suficiente energía, es posible que un electrón salte a un nivel superior a aquel en que se halla. Este proceso se llama excitación. Un electrón excitado se halla en un estadoinestable y desciende a un nivel inferior, emitiendo una radiación cuya energía será igual a la diferencia de la que tienen los dos niveles.

La energía del electrón en el átomo es negativa porque es menor que la energía del electrón libre.

Al aplicar la formula de Bohr a otros átomos se obtuvieron resultados satisfactorios, al coincidir el pronóstico con el resultado experimental de los espectros de estos átomos.

1.1.9 Estructura atómica .

Apunte de Estructura Atómica: Dualidad onda-corpúsculo. Modelo mecano cuántico del átomo.

Principio de incertidumbre

Principio enunciado en 1927 por el alemán Werner Karl Heisenberg según el cual no puede ser conocida con exactitud y simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de un electrón..

Este principio tiene su origen en la mecánica cuántica según la cual el mismo hecho de medir la velocidad o la posición de un electrón implica una imprecisión en la medida

Por ejemplo, en el caso de que pudiéramos "ver" un electrón u otra partícula subatómica, para poder medir la velocidad habría que iluminarlo. Pues bien, el fotón que ilumina a ese electrón modifica la cantidad de movimiento del mismo. Por tanto, modificaría su velocidad original que es lo que queríamos medir.

Principio de Dualidad - Hasta el siglo XIX los físicos estaban divididos sobre la naturaleza de la luz. En 1815, el inglés Maxwell dedujo teóricamente que la velocidad de las ondas electromagnéticas era la misma que la de la luz. Este hecho le sugirió la idea de que la luz debía estar formada por vibraciones electromagnéticas de frecuencia elevada que no necesitan ningún medio material para propagarse. Según esta teoría no era necesaria la existencia del hipotético éter y la luz entraba a formar parte de las radiaciones electromagnéticas. Esto supuso un golpe de muerte para la teoría corpuscular.

La explicación del efecto fotoeléctrico fue dada por Albert Einstein, basándose en la Teoría de Planck. Para Albert Einstein, si la energía es emitida o absorbida de manera discontinua mediante cuantos de energía (como sostenía Planck) es porque la misma naturaleza de la luz (la energía radiante) es discontinua y está formada por paquetes de energía hv a los que llamó fotones, de modo que actúan de manera similar a los corpúsculos de Newton.

Se permaneció así, con un doble carácter corpuscular y ondulatorio, que prevalecía uno sobre otro según qué fenómeno se tratase, hasta que en 1923 Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie acabó con las discrepancias y estableció la dualidad onda-corpúsculo. Según De Broglie, el fotón puede ser considerado como un corpúsculo que parte del cuerpo luminoso y que en su rápido movimiento origina una onda electromagnética (cuya longitud de onda dedujo: λ =h/mv), convirtiéndose así en un corpúsculo-onda, del mismo modo que al avanzar rápido un proyectil origina un movimiento periódico que nosotros percibimos como sonido. Del mismo modo que electrón transporta su campo eléctrico, cada cuanto de radiación transporta consigo un fenómeno periódico que se extiende por el espacio circundante. Por consiguiente, la aparente contradicción sobre la doble naturaleza de la luz cesa desde el momento en quela energía radiante constituida a la vez por ondas y corpúsculos, indisolublemente asociados. Porque entonces se concibe sin dificultad que el carácter ondulatorio se manifiesta más especialmente en ciertos fenómenos, mientras que en otros prevalece el carácter corpuscular.

Función de onda (Ψ) es una forma de describir el estado físico de un sistema de partículas. Usualmente es una función compleja y de cuadrado integrable de las coordenadas espaciales de cada una de las partículas. Las propiedades mencionadas de la función de onda permiten interpretarla como una función de cuadrado integrable. La ecuación de Schrödinger proporciona una ecuación determinista para explicar la evolución temporal de la función de onda y, por tanto, del estado físico del sistema en el intervalo comprendido entre dos medidas (cuando se hace una medida de acuerdo con el postulado IV la evolución no es determinista).

Históricamente el nombre función de onda se refiere a que el concepto fue desarrollado en el marco de la primera física cuántica, donde se interpretaba que las partículas podían ser representadas mediante una onda física que se propaga en el espacio.

El principio de Aufbau contiene una serie de instrucciones relacionadas a la ubicación de electrones en los orbitales de un átomo. El modelo, formulado por el erudito químico Niels Bohr, recibió el nombre de Aufbau (del alemán Aufbauprinzip: principio de construcción) en vez del nombre del científico. También llamado popularmente, regla del serrucho.

Principio de exclusión de Pauli, en un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números

cuánticos iguales, así que en cada orbital sólo podrán colocarse dos electrones (correspondientes a los

valores de s +1/2 y -1/2) y en cada capa podrán situarse 2n2 electrones (dos en cada orbital).

1.1.10 Configuraciones electrónicas: Regla de Hund

La regla de Hund es una regla empírica obtenida por Friedrich Hund en el estudio de los espectros

atómicos que enuncia lo siguiente:

Al llenar orbitales de igual energía (los tres orbitales p, los cinco d, o los siete f) los electrones se

distribuyen, siempre que sea posible, con sus spines paralelos, es decir, que no se cruzan. El particula

mini atomica es mas estable (tiene menos energía) cuando tiene electrones desapareados (spines

paralelos) que cuando esos electrones están apareados (spines opuestos o antiparalelos).

También se denomina así a la regla de máxima multiplicidad de Hund

Cuando varios electrones están descritos por orbitales degenerados, la mayor estabilidad energética es

aquella en donde los espines electrónicos están desapareados (correlación de espines).

Para entender la regla de Hund, hay que saber que todos los orbitales en una subcapa deben estar

ocupados por lo menos por un electrón antes de que se le asigne un segundo. Es decir, todos los

orbitales deben estar llenos y todos los electrones en paralelo antes de que un orbital gane un segundo

electrón. Y cuando un orbital gana un segundo electrón, éste deberá estar desapareado del primero

(espines opuestos o antiparalelos).

Por ejemplo:

3 electrones en el orbital 2p; px1 py1 pz1 (vs) px2 py1 pz0 (px2 py1 pz0 = px0 py1 pz2 = px1 py0 pz2= px2 py0 pz1=....)

Así, los electrones en un átomo son asignados progresivamente, usando una configuración ordenada

con el fin de asumir las condiciones energéticas más estables. El principio de Aufbauexplica las reglas

para llenar orbitales de manera de no violar la Regla de Hund.

1.2 Periodicidad Química

¿Por qué determinados elementos tienen propiedades semejantes? esta pregunta se puede contestar con la moderna teoría atómica en función de las estructuras electrónicas. Elementos diferentes cuyos átomos tienen estructuras electrónicas semejantes en sus capas externas o niveles de valencia tienen muchas propiedades químicas en común. Esta idea que relaciona la semejanza en las estructuras con la semejanza en las propiedades es la base de la ley periódica

CLASIFICACIONES PERIÓDICAS INICIALES

Los científicos ven la necesidad de clasificar los elementos de alguna manera que permitiera su estudio más sistematizado. Para ello se tomaron como base las similaridades químicas y físicas de los elementos. Estos son algunos de los científicos que consolidaron la actual ley periódica:

Johann W. Dobeneiner:

Hace su clasificación en grupos de tres elementos con

propiedades químicas similares, llamadas triadas.

John Newlands:

Organiza los elementos en grupos de ocho u octavas, en orden

ascendente de sus pesos atómicos y encuentra que cada

octavo elemento existía repetición o similitud entre las

propiedades químicas de algunos de ellos.

Dimitri Mendeleiev y Lothar Meyer:

Clasifican lo elementos en orden ascendente de los pesos

atómicos. Estos se distribuyen en ocho grupos, de tal manera

que aquellos de propiedades similares quedaban ubicados en

el mismo grupo.

En 1913 Henry Moseley basándose en experimentos con rayos x determinó los números atómicos de los elementos y con estos creó una nueva organización para los elementos.

Ley periódica: →

" Las propiedades químicas de los elementos son función

periódica de sus números atómicos "

Lo que significa que cuando se ordenan los elementos por sus números atómicos en forma ascendente, aparecen grupos de ellos con propiedades químicas similares y propiedades físicas que varían periódicamente.

1.2.1 DESARROLLO DE LA TABLA PERIÓDICA MODERNA

Los elementos están distribuidos en filas (horizontales) denominadas períodos y se enumeran del 1 al 7 con números arábigos. Los elementos de propiedades similares están reunidos en columnas (verticales), que se denominan grupos o familias; los cuales están identificados con números romanos y distinguidos como grupos A y grupos B. Los elementos de los grupos A se conocen como elementos representativos y los de los grupos B como elementos de transición. Los elementos de transición interna o tierras raras se colocan aparte en la tabla periódica en dos grupos de 14 elementos, llamadas series lantánida y actínida. La tabla periódica permite clasificar a los elementos en metales, no metales y gases nobles. Una línea diagonal quebrada ubica al lado izquierdo a los metales y al lado derecho a los no metales. Aquellos elementos que se encuentran cerca de la diagonal presentan propiedades de metales y no metales; reciben el nombre de metaloides.

Metales:

Son buenos conductores del calor y la

electricidad, son maleables y dúctiles,

tienen brillo característico.

No Metales:

Pobres conductores del calor y la

electricidad, no poseen brillo, no son

maleables ni dúctiles y son frágiles en

estado sólido.

Metaloides: poseen propiedades intermedias entre

Metales y No Metales.

1.2.2 Clasificación periódica de los elementos

Las coordenadas de un elemento en la tabla se obtienen por su distribución electrónica: el último nivel de energía localiza el periodo y los electrones de valencia el grupo.

Elementos representativos:

Están repartidos en ocho grupos y se caracterizan porque su distribución electrónica termina en s-p o p-s. El número del grupo resulta de sumar los electrones que hay en los subniveles s ó s y p del último nivel.

EJEMPLO: localice en la tabla periódica el elemento con Z= 35

La distribución electrónica

correspondiente es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

la cual en forma ascendente es ; 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5

El último nivel de energía es el 4, por lo tanto el elemento debe estar localizado en el cuarto periodo. El grupo se determina por la suma 2+5=7, correspondiente al número de electrones ubicados en el último nivel, lo cual indica que el elemento se encuentra en el grupo VII A. Algunos grupos representativos reciben los siguientes nombres:

Grupo IA: Alcalinos

Grupo IIA Alcalinotérreos

Grupo

VIIA: Halógenos

Grupo

VIIIA: Gases nobles

Elementos de transición:

Están repartidos en 10 grupos y son los elementos cuya distribución electrónica ordenada termina end-s. El subnivel d pertenece al penúltimo nivel de energía y el subnivel s al último. El grupo está determinado por la suma de los electrones de los últimos subniveles d y s.

Si la suma es 3,4,5,6 ó 7 el grupo es IIIB, IVB, VB, VIB,VIIB respectivamente. Si la suma es 8, 9 ó 10 el grupo es VIIIB primera, segunda o tercera columna respectivamente. Y si la suma es 11 ó 12 el grupo es IB y IIB respectivamente.

EJEMPLO: localice en la tabla periódica el elemento con Z= 47

La distribución electrónica

correspondiente es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5 4p6 5s2 4d4

la cual en forma ascendente es ; 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d4 5s2

El último nivel de energía es el 5, por lo tanto el elemento debe estar localizado en el quinto periodo. El grupo se determina por la suma 9+2=11, lo cual indica que el elemento se encuentra en el grupo I B.

Elementos de tierras raras:

Están repartidos en 14 grupos y su configuración electrónica ordenada termina en f-s. Es de notar que la serie lantánida pertenece al periodo 6 y la actínida al periodo 7 de la tabla periódica.

1.2.3 Propiedades atómicas y su variación periódica.

Carga nuclear efectiva.- El concepto de carga nuclear efectiva es muy útil para analizar las propiedades

de los átomos polielectrónicos. La carga nuclear efectiva esta dada por: Zef=Z-s Donde Z es la carga

nuclear real y sigma se llama constante de apantallimiento.

Una forma de mostrar el apantallamiento de los electrones es analizar el valor de la energía

requerida para quitar un electrón de un átomo polielectrónico. Las mediciones muestran que se

requieren 2373kJ de energía para mover el electrón restante de un mol de átomos de He y 5248 kJ de

energía para remover el electrón restante de un mol de iones de He+. La razón por la cual se requiere

menos energía en el primer paso es que la repulsión electrón- electrón el apantallamiento, provoca una

reducción en la atracción del núcleo sobre cada electrón. En el He+ hay presente un solo electrón, así es

que no hay apantallamiento y el electrón siente el efecto total de la carga nuclear +2. Por consiguiente,

se requiere de mucho más energía parea quitar el segundo electrón.

2.2.2 Tamaño atómico

A lo largo de un periodo hay un crecimiento hay un decrecimiento pequeño aunque

generalizado en el tamaño del radio atómico. Esto se debe al hecho de que a medida que avanzamos en

el periodo, los elementos están en el mismo nivel de energía o a igual distancia del núcleo, pero al

mismo tiempo la carga nuclear va aumentando de 1 en 1 en cada elemento. A pesar de esto, hay

también un incremento en el número de electrones, cada electrón es atraído hacia el núcleo, por tanto a

mayor carga nuclear mayor atracción de los electrones hacía el núcleo.

Bajando en cualquier grupo en la tabla periódica se observa un incremento más bien

considerable en el tamaño atómico. Es este caso, a pesar de ocurrir un aumento en la carga nuclear, Hay

también un nivel más de energía de electrones. Puesto que el tamaño del átomo depende del lugar en

donde estén distribuidos los electrones sobre la parte externa del núcleo este incremento en el número

de niveles de energía causa un incremento en el radio atómico. En la siguiente tabla se presentan los

radios atómicos de algunos de los elementos representativos.

El radio iónico.- Es el radio de un anión o de un catión. El radio iónico afecta las propiedades físicas y

químicas de un compuesto iónico Cuando un átomo neutro se convierte en un anión, su tamaño o radio

aumenta, dado que la carga nuclear permanece constante pero la repulsión resultante de la adición de

un electrón es mayor. Por otra parte un catión es menor que su átomo neutro, dado que al quitar

electrones reduce la repulsión electrónica y se contrae la nube electrónica En un grupo el radio atómico

y el radio iónico varían de igual forma, es decir al descender en un grupo el radio atómico aumenta y el

radio iónico también. Para iones derivados de elementos de diferentes grupos la comparación solo tiene

significado si los iones son isoelectrónicos. Si se analizan iones isoelectrónicos se encuentra que los

aniones son más grandes que los cationes.

2.2.3 Energía de ionización.- Es la energía de requerida para mover un electrón de un átomo o un ion. La

primera energía de ionización para un átomo en particular es por tanto la cantidad de energía requerida

para remover un electrón de dicho átomo; la segunda energía de ionización es siempre mayor que la

primera debido a que ha sido removido un electrón de un ion positivo y tercero es igualmente mayor

que la segunda. En la siguiente tabla se puede observar que una vez adquirida la configuración de gas

noble, como lo es el caso del Na+, Be2+ y Mg 2+ la próxima energía de ionización es muy alta.

2.2.4 Afinidad electrónica.- La cantidad de energía librada cuando un átomo gana se llama afinidad

electrónica. En la tabla No.3 se muestran las afinidades de algunos elementos no metales. Puede verse a

partir de esta tabla que al avanzar en un periodo, por ejemplo desde el nitrógeno hasta el flúor la

afinidad electrónica se incrementa. Al igual que en el tamaño atómico ya la energía de ionización, esto

se debe al hecho de que los electrones de valencia están en el mismo nivel de energía pero la carga

nuclear es mayor. De esta forma, con los electrones de valencia cada vez más cerca del núcleo y con

mayor carga nuclear, se libera mayor cantidad de energía cuando se agrega un electrón a la capa de

valencia. Bajando en el grupo de no metales, como en el caso de los halógenos la afinidad electrónica

disminuye. Esto se debe al hecho de que al bajar en el grupo, los electrones de valencia están más

alejados del núcleo y por lo tanto no se libera tanta energía cuando una capa de valencia acepta un

electrón. El flúor es una excepción ala regla general. Esto se debe al tamaño pequeño del átomo y

contrario a lo que esperaríamos, a la poca tendencia a aceptar un electrón. EL tamaño pequeño del

átomo causa mayor repulsión entre los electrones de valencia.

Electronegatividad.- La electronegatividad de un átomo se define como la tendencia general de un

átomo para tener electrones hacia sí mismo en un compuesto. Esta es determina a partir de la

electroafinidad y de la energía de ionización. Sin embargo, no es una medida de energía, pero sí una

simple tendencia de los átomos para atraer electrones.

Hay diferentes escalas de electronegatividad, pero la más común es la escala que realizó Linus

Paulig. La siguiente tabla muestra una lista de las electronegatividades de los elementos según la escala

de Linus Pauling. Se puede notar que hay un aumento en la electronegatividad a medida que avanzamos

de izquierda a derecha en un periodo y una disminución a medida que bajamos en un grupo.

Este concepto es muy útil para predecir el tipo de enlace, para la escritura de nombres y

fórmulas de compuestos y para la polaridad de enlaces y moléculas.

1.2.4 Propiedades Quimicas Y Variacion Periodica: tendencias generales y por grupo.

La tabla periódica de los elementos fue propuesta por Dimitri Mendeleiev y Julius Lothar Meyer

quienes, trabajando por separado, prepararon una ordenación de todos los 64 elementos

conocidos, basándose en la variación de las propiedades químicas (Mendeleiev) y físicas (Meyer)

con la variación de sus masas atómicas. A diferencia de lo que había supuesto Newlands, en la Tabla

periódica de Mendeleiev los periodos (filas diagonales y oblicuas) no tenían siempre la misma

longitud, pero a lo largo de los mismos había una variación gradual de las propiedades, de tal forma

que los elementos de un mismo grupo o familia se correspondían en los diferentes periodos. Esta

tabla fue publicada en 1869, sobre la base de que las propiedades de los elementos son función

periódica de sus pesos atómicos.

Tabla periódica de los elementos Grupo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 I II III IV V VI VII VIII Periodo 1 1 H 2 He 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba

72

Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra

104

Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Uub 113 Uut 114 Uuq 115 Uup 116 Uuh 117 Uus 118 Uuo Lantánidos

57

La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu

Actínidos

89

Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr Alcalinos Alcalinotérreos Lantánidos Actínidos Metales de transición Metales del bloque p Metaloides No metales Halógenos Gases nobles Grupos A las columnas verticales de la Tabla Periódica se las conoce como grupos. Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia, y por ello, tienen características o propiedades similares entre si. Por ejemplo los elementos en el grupo IA tienen valencia de 1 (un electrón su último nivel de energía) y todos tienden a perder ese electrón al enlazarse como iones positivos de +1. Los elementos en el último grupo de la derecha son los Gases Nobles, los cuales tienen su último nivel de energía lleno (regla del octeto) y por ello son todos extremadamente no-reactivos.

Los grupos de la Tabla Periódica, numerados de izquierda a derecha son: Grupo 1 (IA): los metales alcalinos Grupo 2 (IIA): los metales alcalinotérreos Grupo 3 al Grupo 12: los metales de transición , metales nobles y metales mansos Grupo 13 (IIIA): Térreos Grupo 14 (IVA): carbonoideos Grupo 15 (VA): nitrogenoideos Grupo 16 (VIA): los calcógenos o anfígenos Grupo 17 (VIIA): los halógenos Grupo 18 (VIIIA): los gases nobles Períodos Artículo principal: Períodos de la tabla periódica

Las filas horizontales de la Tabla Periódica son llamadas Períodos. Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla periódica, los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares: todos los elementos de un período tienen el mismo número de orbitales. Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca de acuerdo a su configuración electrónica. El primer período solo tiene dos miembros: hidrógeno y helio, ambos tienen solo el orbital 1s.

La tabla periódica consta de 7 períodos, con la tabla periódica podés predecir cómo combinar los distintos tipos de elementos, calcular masas y por ende numero de moles de las distintas moléculas, así como conocer las propiedades periódicas de los átomos involucrados.

1.3 Elementos de importancia económica, industrial y ambiental en la región o en el país.

El desarrollo económico en México favoreció la concentración territorial de la industria. Hasta 1970 no

se aplicó ningún criterio ambiental para su desarrollo, aunque había indicios de impactos crecientes

sobre la contaminación atmosférica y la generación de residuos. El resultado de una política de bajos

precios de petróleo propició su uso intensivo y, con ello, un crecimiento de la demanda energética más

acelerada. En la segunda parte de la década de los 70’s, la reestructuración productiva de la industria se

modificó debido al crecimiento petrolero. La petroquímica básica se convirtió en la actividad con mayor

contribución a la contaminación, también la producción de fibras sintéticas, resinas, fertilizantes,

plásticos, pinturas y pigmentos, y gases industriales que pasaron a ser las actividades más relevantes por

su impacto potencial al ambiente (Quadri, 1994).

En México, la industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia

ambiental. Por la amplia gama de productos derivados del petróleo, no ha sido posible evaluar

cuantitativamente la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta la obtención de los

petroquímicos básicos (Saval, 1995). El suelo y subsuelo constituyen un recurso natural difícilmente

renovable que desempeña funciones entre las que destaca su papel como medio filtrante durante la

recarga del manto acuífero y la protección de los mismos, también están integrados al escenario donde

ocurren los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y las redes tróficas, además de ser el espacio donde se

realizan las actividades agrícolas, ganaderas y soporte de la vegetación (Saval, 1995).

Durante mucho tiempo y hasta hace poco, nadie se preocupaba por el destino de los residuos

generados, dando por hecho que la naturaleza limpiaba el ambiente, pero según fue cambiando la

naturaleza y composición de los residuos, y al aumentar su cantidad y complejidad, esta capacidad

(degradativa y amortiguadora) empezó a alterarse (Gutiérrez, 1990). El desarrollo petrolero y el

crecimiento de la industria petroquímica han requerido de la utilización intensiva de los energéticos

fósiles para cubrir las necesidades de una sociedad más consumista, en artículos indispensables en la

industria, hogar, comercio y personal que ha llevado, a lo largo del tiempo, a una fuerte degradación del

ambiente, principalmente el aire. En la extracción del petróleo no se considera el bienestar del

ambiente, lo que ha contribuido a la degradación del aire, agua y suelo. En México se ha realizado poca

investigación sobre este último, en comparación al aire y agua referente a estudios de contaminación,

por lo que es necesario llevar a cabo estudios para conocer el estado actual de los suelos cercanos a

zonas industriales y urbanas, indispensables para el uso adecuado y conservación de éstos. La

infraestructura petrolera está integrada por pozos, baterías de separación, complejos procesadores de

gas, centrales de almacenamiento y bombeo, red densa de ductos y presas para el confinamiento de

desechos sólidos y líquidos procedentes de la perforación y mantenimiento de los pozos. Estas

instalaciones poseen riesgos inherentes de fugas de petróleo, diesel y gasolina por roturas de los ductos,

por filtración de aguas aceitosas desde las presas y por los derrames del agua aceitosa de las presas por

las inundaciones durante el periodo de lluvias. 2. Antecedentes. Por la importancia económica que

representa el petróleo para México y, ante la demanda en el mercado exterior, a pesar de las

fluctuaciones de su precio, se ha intensificado su explotación lo cual representa el renglón más fuerte en

la captación de divisas.

Durante el periodo 1995–1999, Pemex ha entregado al Gobierno Federal 854 mil millones de pesos por

concepto de impuestos directos e indirectos así como derechos de extracción (Pemex, 2000). Ante esta

situación, México se ha convertido en el cuarto productor de petróleo en el mundo, con producción

diaria de 3 millones de barriles, exportando 1.4 millones de barriles diarios. Este producto se exporta a

Canadá, Estados Unidos, Centroamérica, España, Francia, Yugoslavia, Japón e Israel (Ayllon & Chavez,

1994). Las reservas probadas, probables y posibles ascendieron –al primero de enero del 2000- a 58 mil

204 millones de barriles de petróleo crudo equivalente, por lo que la relación reserva –producción es

superior a los 40 años (Pemex, 2000). A la industria petrolera la constituyen las áreas de la prospección,

explotación, producción, refinación y procesamiento de gas. Es una de las industrias más importantes

por el volumen de producción, generación de empleos y necesidades que satisface, entre ellas la

obtención de gasolina y lubricantes para la industria y el transporte. La industria petroquímica surge de

la necesidad de obtener una serie de derivados del petróleo, y básicos para otras industrias. Su

importancia deriva de la gran variedad de las industrias a las que abastece, entre ellas la de fertilizantes,

fibras sintéticas, plásticos, llantas, jabones y detergentes, artículos para el hogar, empaques, etc. (Ayllon

& Chavez, 1994). Por las diferentes actividades industriales que efectúa PEMEX, existe un potencial de

contaminación del ambiente por la emisión de humos, polvos, gases y descargas de aguas residuales

generadas durante la perforación de pozos petroleros, por la extracción de líquidos, por su refinación y

producción de petroquímicos. Además, la transportación de petróleo crudo y productos refinados por

buques tanque y tuberías tiene implícita la posibilidad de derrames que pueden contaminar suelo, agua

y atmósfera. La institución petrolera asume la obligación de proteger, controlar y restaurar al ambiente

en lo relativo a sus actividades industriales, así como de las comunidades y poblaciones en donde opere

(PEMEX, 1988).

PEMEX - Refinación, lleva a cabo múltiples y variadas acciones para reducir las emisiones de

contaminantes, contando con un inventario de emisiones atmosféricas de todas las refinerías, el cual se

elaboró mediante un programa de instalación de 261 puntos de muestreo en las chimeneas de proceso

(Viejo, 1995). Los residuos generados por las actividades de esta industria como son: catalizadores

gastados y lodos aceitosos, por citar algunos, son depositados en tambores, patios y fosas rústicas,

previo a su tratamiento y disposición final en sitios autorizados. Existe el interés por parte de PEMEX de

rehabilitar los suelos contaminados. De acuerdo a la información de PEMEX, dos de los lugares más

contaminados por hidrocarburos a nivel nacional son la refinería “Lázaro Cárdenas” y el Pantano de

Santa Alejandrina, ambos ubicados en el sureste de México (Veracruz y Tabasco) (González & Quintero,

1995). Por otra parte, se tiene que los residuos o desechos de la actividad petrolera están clasificados

como residuos peligrosos. Se calcula que en 1991 se generaron 5,292 miles de T/año de residuos

peligrosos y se ha estimado que el 24% son derivados del petróleo, es decir, 130,183 T/año. Un informe

de la SEDESOL menciona que los residuos anuales de los procesos de refinación y petroquímicos de

Petróleos Mexicanos, alcanzan la cifra de 1.7 millones de T de residuos, de estos el 90.15% corresponde

a desperdicios semisólidos; 9.6% a líquidos y 0.25% a sólidos; 18% del total se consideran peligrosos. Los

residuos reciclados representan 0.1% y se estima que sólo 13% del total es susceptible de ser

reutilizado.

Bibliografía

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