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TEMA 5 ELEMENTOS Y COMPUESTOS QUÍMICOS
1. EL SISTEMA PERIÓDICO DE LOS ELEMENTOS.
Durante el siglo XIX aumentó espectacularmente el número de elementos conocidos. Además, se
comprobó que muchos de ellos presentaban propiedades físicas y químicas parecidas.
Este hecho animó a los científicos a buscar alguna forma de ordenación y clasificación de los
elementos que permiten agruparlos en familias según sus propiedades.
Para ordenar todos ellos podrían haberse elegido diferentes criterios incluyendo el orden alfabético.
Sin embargo tal ordenación hubiera tenido poca utilidad. Por ello se ha adoptado una ingeniosa tabla
conocida como Sistema Periódico de los elementos.
El sistema periódico es una ordenación de todos los elementos conocidos por orden creciente
de números atómicos.
En ella los elementos están distribuidos en siete filas horizontales llamadas periodos y dieciocho
columnas verticales que se llaman grupos.
Los elementos están ordenados por orden creciente de número atómico (número de protones en el
núcleo), por tanto, según se lee el sistema de izquierda a derecha, el átomo de cada elemento tiene un
protón y un electrón más que el inmediato anterior.
1.1. Sistema Periódico y configuración electrónica.
Los elementos de un mismo grupo tienen los mismos electrones en el último nivel o capa
(electrones de valencia). Las propiedades químicas de un elemento están relacionadas con el número de
electrones de valencia, por lo que los elementos de un mismo grupo del sistema periódico tienen
propiedades químicas similares.
Los elementos del mismo periodo tienen el mismo número de niveles o capas, el cual coincide con
el número del periodo. Así, los elementos del segundo periodo tienen dos capas de electrones, los de
tercero, tres, etc.
Los grupos se nombran desde el 1 hasta el 18 de izquierda a derecha, aunque algunos reciben
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nombres especiales:
GRUPO NOMBRE CONF. ELECT. EXT. ELEMENTOS
1 Alcalinos ns1 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
2 Alcalinotérreos ns2 Be, Mg, Ca Sr, Ba, Ra
13 Térreos ns2p1 B, Al, Ga, In, Tl
14 Carbonoideos ns2p2 C, Si, Ge, Sn, Pb
15 Nitrogenoideos ns2p3 N, P, As, Sb, Bi
16 Anfígenos ns2p4 O, S. Se, Te, Po
17 Halógenos ns2p5 F, Cl, Br, I, At
18 Gases nobles ns2p6 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
Los elementos de los grupos 3 al 12 se denominan metales de transición
La tabla periódica presenta algunos inconvenientes:
El hidrógeno no tiene un sitio apropiado en ningún grupo porque no tiene propiedades
parecidas a las de ningún otro elemento.
Los elementos de números atómicos 58 a 71 y 90 a 103 no están situados dentro de la tabla.
Reciben el nombre de elementos de transición interna o tierras raras.
En la tabla periódica podemos distinguir entre:
Metales: Son los elementos que hay en la parte central e izquierda de la tabla
No metales: Son los elementos que hay en la parte derecha de la tabla.
Semimetales: Son los elementos que tienen características entre metales y no metales.
La separación entre ellos viene dada por una línea divisoria en forma de escalera.
2. EL ENLACE QUÍMICO.
Los átomos en la naturaleza se hallan unidos formando moléculas, de tal manera que es muy raro
encontrar átomos independientes en la naturaleza.
2.1.- ¿Por qué se unen los átomos?
Los cuerpos ordinarios en la naturaleza tienden espontáneamente a alcanzar situaciones de mínima
energía porque eso implica una mayor estabilidad. Admitiendo el mismo comportamiento para el mundo
de los átomos se puede afirmar que:
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Los átomos se unen porque ello les permite pasar a una situación de menor energía y ello supone
también mayor estabilidad.
El enlace químico es la unión de átomos de modo que la estructura resultante sea más estable (con
menos energía) que los átomos separados.
2.2. ¿Cómo se unen los átomos?
Una teoría sencilla para explicar el origen de los enlaces descansa en el hecho de que los elementos
del grupo 18 (los gases nobles) no se combinan prácticamente entre sí ni con otros átomos, de manera
que son gases constituidos por átomos independientes. ¡Y todos ellos, menos el primero, el helio, poseen
ocho electrones en el último nivel permitido!. De ahí podría deducirse que:
Una configuración del tipo gas noble es especialmente estable.
Cabe suponer entonces que el resto de los átomos que no tengan esa configuración tenderán a
adquirirla. Unos lo harán perdiendo los electrones que les sobren, como les ocurre a los átomos de los
elementos llamados metales, que tienen tendencia a formar iones positivos. Otros lo harán ganando los
electrones que les faltan, como es el caso de los átomos de los no metales, que tienen tendencia a formar
iones negativos.
Gas noble Configuración electrónica
Símbolo Z
He 2 1s2
Ne 10 1s22s22p6
Ar 18 1s22s22p63s23p6
Metal Configuración
electrónicaSímbolo Z
Li 3 1s22s1
Li+ 3 1s2
Na 11 1s22s22p63s1
No Metal Configuración electrónica
Símbolo Z
F 9 1s22s22p5
F- 9 1s22s22p6
Cl 17 1s22s22p63s23p5
Cl- 17 1s22s22p63s23p6
3. TIPOS DE ENLACE.
De todas las formas conocidas en que los átomos pueden unirse vamos a estudiar aquellas tres que
pueden considerarse como enlaces químicos puros:
a) Enlace iónico: Caracterizado porque la fuerza atractiva es de tipo electrostático.
b) Enlace covalente: Caracterizado porque presupone una compartición de electrones.
c) Enlace metálico: Caracterizado por la gran movilidad de algunos electrones.
A la capacidad que tiene un átomo para combinarse con otros se le denomina valencia. Se mide por
el número de electrones que es capaz de ganar (electrovalencia negativa), perder (electrovalencia positiva)
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o compartir (covalencia) con el fin de adquirir una estructura estable. Así, cuando decimos que el litio tiene
valencia 1 + queremos expresar que posee tendencia a ceder un electrón. El flúor tiene una valencia 1 -
porque tiende a ganarlo.
3.1. Enlace iónico.
Muchos átomos consiguen ocho electrones en su última capa ganando o perdiendo electrones, con
lo que se convierten en iones negativos y positivos, respectivamente. El enlace iónico se origina por la
fuerza de atracción eléctrica entre iones positivos (metales) y negativos (no metales).
A las sustancias compuestas así obtenidas se las denomina iónicas.
Lo que suele suceder es que un número grande de iones positivos se encuentra cerca de un número
grande de iones negativos, de tal modo que se produce una gran asociación de iones de un y otro signo,
formando una red cristalina tridimensional
Redes cristalinas de: a) CsCl ; b) NaCl ; d) CaF2 ; e) Rutilo
CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS.
Propiedades Interpretación
Forman redes cristalinas. Cada ion positivo atrae a todos los iones negativos y
viceversa. Los iones se acoplan de modo que cada
ion está rodeado de iones de signo contrario.
Son sólidos a temperatura ambiente,
con altos puntos de fusión y
ebullición.
Existe fuerte atracción entre los iones de distinto
signo y se necesita mucha energía para romper la red
cristalina.
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Se fracturan al golpearlos, formando
cristales de menor tamaño.
Al golpear el cristal se desplazan los iones y quedan
enfrentados los de igual carga, repeliéndose.
Se disuelven en agua.
Las moléculas de agua pueden atraer y separar los
iones deshaciendo la red iónica.
No conducen la corriente eléctrica en
estado sólido, pero son conductores
en estado líquido y en disolución.
Los iones están localizados en la red pero al pasar al
estado líquido adquieren movilidad, lo que posibilita
el paso de la corriente eléctrica.
Justificación de la fragilidad de los cristales iónicos.
3.2. Enlace covalente.
Cuando se unen dos átomos que no tienen tendencia a perder electrones (no metales), la unión se
realiza compartiendo los de la última capa. En estas moléculas, se considera que los electrones compartidos
pertenecen a los dos átomos que se unen, quedando así enlazados.
El enlace covalente se produce cuando dos átomos comparten pares de electrones para completar
con 8 electrones su última capa (capa de valencia).
Dos átomos pueden compartir varios pares de electrones. Por ejemplo, la molécula de oxígeno tiene
un enlace doble (dos pares de electrones compartidos) y la molécula de nitrógeno un enlace triple (tres
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pares de electrones compartidos).
Estas uniones se representan mediante diagramas de Lewis en los que cada electrón de valencia de
un elemento está representado por un punto y el par de electrones de enlace por una raya.
Hay dos tipos de sustancias covalentes: las sustancias moleculares y los sólidos covalentes (redes
cristalinas atómicas).
Las sustancias moleculares están constituidas por moléculas. Se representan mediante una fórmula
molecular en la que se indica cuántos átomos de cada elemento forman la molécula. Por ejemplo,
O2 significa que la molécula de oxígeno está formada por dos átomos de oxígeno; CO2 significa que
en la molécula de dióxido de carbono hay un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno.
Los sólidos covalentes o redes cristalinas atómicas no forman moléculas; los átomos se enlazan
unos con otros constituyendo redes cristalinas tridimensionales extensas. Por ejemplo, el diamante (
C ), grafito ( C ) y el cuarzo (SiO2).
CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS COVALENTES:
Tenemos que diferenciar las de las sustancias moleculares de las de los sólidos o cristales
covalentes.
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SUSTANCIAS MOLECULARES
Propiedades Interpretación
Tienen bajos puntos de fusión y ebullición,
por lo que son gases o líquidos a
temperatura ambiente.
La fuerza del enlace entre átomos es muy
grande, pero la fuerza que mantiene unidas
las moléculas es débil.
No se disuelven (o se disuelven muy poco)
en agua.
En su estructura no hay iones capaces de
ser atraídos por las moléculas de agua.
No conducen la corriente eléctrica (algunas
lo hacen débilmente)
No existen cargas eléctricas en su
estructura.
CRISTALES COVALENTES
Propiedades Interpretación
A temperatura ambiente son sólidos muy
duros con altos puntos de fusión.
El enlace entre los átomos es muy fuerte
por lo que necesita mucha energía para
romper la red cristalina.
No se disuelven en agua. En su estructura no hay iones capaces de
ser atraídos por las moléculas de agua.
No conducen la corriente eléctrica
(excepto el grafito) No existen cargas eléctricas en su
estructura.
3.3. Enlace metálico.
Los átomos de los metales tienen tendencia a ceder electrones para tener ocho electrones en su
última capa y convertirse en iones positivos. En el enlace metálico los iones positivos formados comparten
el conjunto de electrones cedidos. (Lo que hacen los átomos es ceder los electrones a una especie de
“fondo común”, en el que los electrones se mueven libremente sin pertenecer a ningún átomo pero
perteneciendo a todos ellos). Se forma una estructura ordenada de iones positivos llamada red metálica
entre los que se mueven los electrones libres que forman una nube electrónica. Los electrones libres
mantienen unidos los iones metálicos en posiciones fijas.
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Este enlace se da en todos los metales. Los iones se empaquetan de modo que ocupen el menor
volumen posible.
En los metales no se forman moléculas, sino redes tridimensionales extensas de iones positivos.
La fórmula de un metal representa el átomo metálico correspondiente; la fórmula del cinc es Zn; significa
que en el cinc hay iones metálicos Zn2+ provenientes de los átomos de cinz.
CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS METÁLICOS:
Propiedades Interpretación
Son sólidos a temperatura ambiente
(excepto el mercurio), con elevados
puntos de fusión y ebullición.
Se necesita bastante energía para romper la
red cristalina metálica.
Son buenos conductores de la electricidad
y del calor.
Los electrones de la capa exterior se
desplazan libremente por la red metálica.
Son dúctiles (se estiran en hilos muy
finos) y maleables (se pueden hacer
láminas muy finas) porque se puede
deformar la red metálica.
Al deformarlos no hay repulsión entre las
cargas y no se fracturan.
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