Procesos Físicos, Químicos y Nucleares

Los cambios que experimenta la materia se clasifican en tres tipos principales:

• Cambios Físicos: En ellos se alteran algunas de sus propiedades, pero no hay cambio de sustancias. Ejemplos conocidos son los cambios de estado (fusión, ebullición, etc.).
• Cambios Químicos: En estos se transforma la naturaleza de las sustancias que intervienen, dando lugar a nuevas sustancias.
• Cambios Nucleares: En ellos, unos elementos químicos se transforman en otros. Es el caso de las reacciones que tienen lugar en el Sol.

Mezclas y Sustancias Puras

Si tomamos un vaso de agua sucia de un charco, tendremos una mezcla heterogénea. Podemos separar los distintos componentes (como agua, sales, rocas…) mediante procedimientos físicos como la filtración, la destilación, etc. Cada uno de los componentes que ya no puede descomponerse en otros diferentes es una sustancia pura o, simplemente, una sustancia.

Definición de Sustancia

En términos macroscópicos, una sustancia es una porción de materia que comparte las mismas propiedades específicas, como la densidad y las temperaturas de fusión y ebullición.

• Sustancia Compuesto: Es aquella sustancia cuyas moléculas o cristales están formados por átomos diferentes.
• Sustancia Elemento: Es una sustancia formada por átomos iguales.

El Experimento de Rutherford

La experiencia de Ernest Rutherford fue crucial para entender la estructura atómica:

1. Bombardeó los átomos de una lámina muy delgada de oro con partículas alfa.
2. Observó que casi todas las partículas pasaban a través de la lámina sin sufrir desviación, como si estuviera prácticamente hueca.
3. Solo algunas sufrían desviaciones y, rara vez, alguna partícula rebotaba en la lámina de oro y volvía atrás.

El Modelo Atómico de Rutherford

A este se le conoce como el modelo nuclear del átomo porque en él se contemplan dos partes perfectamente diferenciadas:

Núcleo

• Es muy pequeño.
• Está compuesto por protones y neutrones.
• En él se encuentra toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo.

Corteza Electrónica

• Está constituida por todos los electrones que hay en el átomo, girando alrededor del núcleo y a gran distancia.
• La corteza tiene una masa muy pequeña y en ella se encuentra toda la carga negativa.

El desarrollo de este modelo implicó el descubrimiento de tres partículas básicas o elementales: electrones, protones y neutrones, que son los ladrillos con que se construyen los átomos.

Conceptos Fundamentales de la Estructura Atómica

Número Atómico (Z)

Es el número de protones que contiene un átomo.

Número de Masa (A)

Es la suma del número de neutrones y protones.

Isótopos

Son los átomos de un mismo elemento que tienen distinto número de neutrones.

Iones

Son los átomos a los que les faltan o les sobran electrones y que, por tanto, tienen carga neta (positiva o negativa).

El Modelo Atómico de Capas

Este modelo, basado en la distribución energética de los electrones, establece que:

• Los átomos son partículas complejas, esencialmente vacías, en las que se distinguen dos partes: el núcleo y la corteza.
• El núcleo está formado por dos clases de partículas: los protones y los neutrones.
• El número de protones determina la naturaleza química del átomo.
• La corteza está formada por tantos electrones como protones hay en el núcleo; por ello, los átomos son neutros.
• En la corteza, los electrones están ordenados formando capas en función de su energía, con un número de electrones definido en cada una.

Clasificación Periódica de los Elementos Químicos

Los elementos de la izquierda de la tabla periódica son los metales y los de la derecha, los no metales. Se encuentran separados por una escalera de semimetales.

Los Metales

• Son blancos o grisáceos, con dos excepciones: el Cu (cobre) y el Au (oro), y tienen un brillo metálico.
• Son buenos conductores de la electricidad y del calor.
• Sus temperaturas de fusión y de ebullición son altas.
• Son dúctiles y maleables (pueden formar hilos y láminas).
• Pueden perder electrones y formar iones positivos (cationes), como el Na⁺.

Los No Metales

• Son malos conductores de la electricidad y del calor, y la mayoría son gases.
• Son de baja densidad.
• Pueden ganar electrones y formar iones negativos (aniones), como el F^–.

Grupos o Familias de la Tabla Periódica

Todos los átomos del mismo grupo presentan el mismo número de electrones en su última capa (capa de valencia).

• Grupo 1 (Metales Alcalinos): Tienen todos ellos un electrón en su última capa. Esto hace que todos formen iones monopositivos cuando pierden ese electrón. Todos presentan una reactividad química elevada, lo que indica que esa configuración electrónica es muy poco estable.
• Grupo 17 (Halógenos): Poseen 7 electrones en su última capa y todos pueden ganar un electrón y formar iones mononegativos. Muestran, al igual que los anteriores, una elevada reactividad química.
• Grupo 18 (Gases Inertes): Representan una absoluta estabilidad química. No reaccionan con ningún otro elemento ni siquiera entre ellos. Todos tienen 8 electrones, excepto el He (helio) que solo tiene 2, en su última capa.

Naturaleza Electromagnética de los Enlaces Químicos

Para que los átomos se unan es preciso que haya fuerzas atractivas entre ellos. Estas fuerzas se llaman enlaces químicos o fuerzas de enlace. Los átomos son sistemas complejos formados por partículas cargadas eléctricamente; por lo tanto, las interacciones entre los átomos son de naturaleza electromagnética y originan los enlaces químicos.

Los electrones se distribuyen por capas alrededor del núcleo. La capa más externa es la que desempeña un papel primordial en la unión de los átomos:

• Los elementos metálicos, situados a la izquierda de la tabla periódica, se caracterizan por tener muy pocos electrones en su última capa (generalmente 1 o 2).
• Los no metales, en cambio, tienen muchos electrones en su última capa (entre 3 y 7).
• Los gases inertes tienen todos 8 electrones en su última capa y por eso carecen de reactividad química; no interaccionan con los demás átomos ni entre ellos. Se encuentran en la naturaleza como átomos libres aislados.

La Regla del Octeto

¿Cuál es la causa de la estabilidad química de los gases inertes? ¿Por qué no interaccionan con los demás átomos? La razón está en los 8 electrones que todos ellos tienen en su última capa (exceptuando al helio, que solo puede tener dos). Esta es la distribución electrónica más estable posible.

Cuando los elementos tienen menos de ocho electrones en esta capa, decimos que tienen la última capa incompleta. Todos ellos tienden a completarla, bien ganando, bien cediendo o compartiendo electrones con otros átomos. Esta es la causa de su reactividad química.

Lewis (Regla del Octeto)

Los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta completar su última capa con ocho. A la última capa se le denomina capa de valencia.

El Enlace Iónico

Los compuestos iónicos (sales, formados por metales y no metales) suelen ser sólidos cristalinos, duros y frágiles. No conducen la corriente eléctrica en estado sólido, pero sí cuando están fundidos o disueltos.

La Teoría del Enlace Iónico

Cuando un átomo de un metal reacciona con un átomo de un no metal (como el cloro), se produce la transferencia de un electrón del metal al no metal, ya que los no metales tienen una gran avidez por los electrones y los atraen con más fuerza que los metales.

1. Para adquirir la configuración de gas noble, el metal pierde un electrón y forma un ion positivo (por ejemplo, Na⁺), que tiene una configuración electrónica estable porque su actual última capa tiene 8 electrones.
2. El no metal, con el mismo fin, captura el electrón del metal y forma un ion negativo (por ejemplo, ion cloruro), que también es estable eléctricamente puesto que ha completado su última capa con 8 electrones.

El enlace iónico se produce entre elementos metálicos que forman iones positivos y no metálicos que forman iones negativos. Ambos iones se atraen con intensas fuerzas electrostáticas.

La Teoría del Enlace Covalente

Estos elementos (no metales) tienen tendencia a ganar electrones para adquirir la configuración de gas noble. Sabemos que existen moléculas bastante estables, pero ¿cómo pueden combinarse dos átomos iguales, como los de cloro (con 7 electrones cada uno en su capa de valencia), si ambos tienden a conseguir el electrón que les falta?

Lewis propuso la hipótesis de que cuando dos átomos no metálicos se unen para formar una molécula, lo hacen compartiendo electrones, dando lugar a un nuevo tipo de enlace: el enlace covalente. Se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones. De esta manera, los átomos completan su última capa o capa de valencia con los 8 electrones.

La Teoría del Enlace Metálico

El enlace metálico se forma a través de elementos metálicos, ya sean iguales o diferentes. Los átomos metálicos poseen pocos electrones en su capa de valencia (generalmente 1 o 2) y no pueden formar moléculas porque no completan esta última capa hasta 8.

El modo de solucionar este problema es formar estructuras donde sus átomos compartan electrones colectivamente, de modo parecido al enlace covalente, pero de forma que los electrones pueden moverse por todo el cristal, saltando de átomo en átomo y formando una especie de gas electrónico.

Los átomos del metal, al perder prácticamente algunos de sus electrones, se transforman en algo parecido a cationes llamados restos positivos, que quedan inmersos en ese gas electrónico de carga negativa que los mantiene unidos, haciendo de cemento de unión. En realidad, los electrones no se han perdido, sino que se encuentran deslocalizados en la red cristalina.