Agrupaciones de Átomos en la Materia: Estructuras y Propiedades

I. Agrupaciones de Átomos en Elementos Químicos

1. Átomos Aislados: Gases Nobles

Los elementos del grupo 18 (VIII) se encuentran en la naturaleza en forma de átomos aislados. A temperatura ambiente son gases y todos tienen ocho electrones en su capa externa, excepto el helio (He) que tiene dos. Son muy estables porque tienen completa la capa electrónica; por ello, no se combinan con otros átomos y se denominan gases nobles o inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

2. Moléculas: Elementos No Metálicos

En 1811, Avogadro propuso que algunos gases elementales forman agregados discretos de átomos, a los que denominó moléculas.

Los siguientes elementos se presentan en la naturaleza como moléculas diatómicas:

• H₂ (Hidrógeno)
• N₂ (Nitrógeno)
• O₂ (Oxígeno)
• F₂ (Flúor)
• Cl₂ (Cloro)
• Br₂ (Bromo)
• I₂ (Yodo)

El oxígeno se presenta también como molécula triatómica en el ozono (O₃).

Los elementos diatómicos son gases, excepto el bromo (Br₂) que es líquido y el yodo (I₂) que es sólido volátil.

Algunos elementos no metálicos forman moléculas poliatómicas, como el fósforo (P₄) y el azufre (S₈).

3. Cristales No Metálicos (Redes Covalentes)

Un cristal es un sólido cuyas partículas se ordenan según un patrón que se repite en las tres direcciones del espacio, adoptando una forma poliédrica regular.

En un cristal atómico no metálico, átomos iguales del elemento se sitúan en los nudos de la red. Un caso especial es el carbono (C), que presenta dos formas cristalinas:

Diamante

Tiene una red tetraédrica en la que cada átomo de carbono se une fuertemente a otros 4 átomos de C. Sus propiedades son:

• Sólido brillante y muy duro.
• Altos puntos de fusión y ebullición.
• No conduce la corriente eléctrica.

Grafito

Tiene una red hexagonal plana en la que cada átomo de carbono se une fuertemente a otros 3 átomos de C, quedando un electrón libre. Las uniones entre capas de hexágonos son débiles. Sus propiedades son:

• Sólido brillante y blando.
• Untuoso (que mancha).
• Exfoliante (que se separa en láminas).
• Conduce la corriente eléctrica.

El carbono amorfo es el carbón. Un nanomaterial derivado del carbono es el grafeno.

4. Cristales Metálicos

En un cristal metálico, los átomos del metal que han perdido sus electrones externos (es decir, cationes) se sitúan en los nudos de la red. Los electrones se deslocalizan por la red formando nubes electrónicas o mar de electrones.

Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa (1, 2 o 3), los cuales pierden fácilmente para convertirse en iones positivos, por ejemplo: Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺.

La mayoría de los elementos son metales (más de 80). Sus propiedades características son:

• Son sólidos cristalinos (excepto el mercurio, Hg, que es líquido).
• Son duros.
• Son dúctiles (se estiran en hilos).
• Son maleables (se extienden en láminas).
• Conducen la corriente eléctrica.

II. Agrupaciones de Átomos en Compuestos Químicos

1. Moléculas (Compuestos Covalentes)

Cuando átomos de elementos no metálicos distintos se unen para formar compuestos, casi siempre lo hacen en forma de moléculas. Los átomos comparten electrones hasta completar la última capa electrónica (regla del octeto) y conseguir mayor estabilidad.

2. Cristales No Metálicos Covalentes (Compuestos Cristalinos)

Un escaso número de compuestos no metálicos forman una estructura tridimensional de red covalente. Un ejemplo es la estructura del cuarzo (SiO₂), en el que cada átomo de Si se une a 4 de O y cada átomo de O se une a 2 de Si. La sílice (SiO₂) amorfa es la arena.

Las propiedades de estos cristales son:

• Sólidos muy duros.
• Elevados puntos de fusión y ebullición.
• No se disuelven en agua.
• No conducen la electricidad.

3. Cristales Iónicos

Cuando un metal se une a un no metal, lo hace formando iones. El metal cede electrones al no metal, dando lugar a cationes (iones positivos) y aniones (iones negativos), respectivamente. Los iones se atraen electrostáticamente y se rodean del máximo posible de carga opuesta, ordenándose en cristales iónicos.

Proceso de Formación Iónica

Este proceso se puede resumir en:

1. Formación de iones:

   Metal (M) → Catión (M⁺) + 1e^–

   No metal (X) + 1e^– → Anión (X^–)

2. Atracción electrostática: M⁺ + X^–
3. Formación de la red cristalina: Cada ion se rodea del máximo posible de carga opuesta.

Propiedades de los Cristales Iónicos

Los cristales iónicos son:

• Sólidos de elevados puntos de fusión y ebullición.
• Solubles en agua.
• No conducen la electricidad en estado sólido.
• Conducen la electricidad en estado líquido o disuelto (fundidos o en solución).