Modelos moleculares

Las moléculas son demasiado pequeñas como para poder observarlas de manera directa. Una forma efectiva para visualizarlas es mediante el uso de modelos moleculares. Por lo común se utilizan dos tipos de modelos moleculares: los modelos de esferas y barras, y los modelos espaciales. En los modelos de esferas y barras los átomos están representados por esferas de madera o de plástico con orificios perforados en ellas. Para representar los enlaces químicos se utilizan barras o resortes. Los ángulos que se forman entre los átomos en los modelos se aproximan a los ángulosde enlace reales de las moléculas. Con excepción del átomo H, todas las esferas son del mismo tamaño y cada tipo de átomo está representado por un color específico. En los modelos espaciales, los átomos estan representados por esferas truncadas que se mantienen unidas a presión de tal manera que los enlaces no se ven. El tamaño de las esfera es proporcional al de los átomos. El primer paso para construir un modelo molecular consiste en escribir la fórmula estructural, que muestra como están unidos entre si los átomos de una molécula. Por ejemplo, la fórmula estructural del agua es  H-O-H. Una línea que une dos símbolos atómicos representan un enlace químico.

Los modelos de esferas y barras muestran con claridad la distribución tridimensional de los átomos y son relativamente fáciles de construir. Sin embargo, el tamaño de las esferas no es proporcional al tamaño de los átomos. Como cosecuencia, las barras por lo general exageran la distancia entre átomos de una molécula. Los modelos espaciales son mas exactos porque muestran la diferencia de tamaño de los átomos. El inconveniente es que su construcción requiere de más tiempo y no muestran bien la posición tridimensional de los átomos.

Modelo de esferas y barras

Modelo espacial

Fórmulas químicas

La fórmula química de una sustancia indica su composición química. Representa a los elementos que contiene y la relación en que se encuentran los átomos. La fórmula de un solo átomo es la misma que el símbolo del elemento. Así, Na puede representar un solo átomo de sodio. Con excepción de los gases nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn), no es común encontrar átomos aislados en la naturaleza. El subíndice que acompaña al símbolo indica el número de átomos en una molécula. Por ejemplo, F₂ indica una molécula que contiene dos átomos de flúor, P₄ y representa cuatro átomos de fosforo en una molécula.

Algunos elementos existen en más de una forma; ejemplos similares son:

1. El oxígeno, que forma moléculas de O₂, y el ozono, que forma moléculas de O₃
2. Las dos formas cristalinas distintas del carbono, el diamante y el grafito.

A las formas diferentes del mismo elemento en el mismo estado físico se les llama modificaciones alotrópicas o alótropos.

Los compuestos contienen dos o más elementos en combinación química en proporciones fijas. Por  tanto, cada molécula de cloruro de hidrógeno, HCl, está formada por un átomo de hidrógeno y un átomo de cloro; cada moécula de tetracloruro de carbono, CCl₄, contiene un átomo de carbono y cuatro átomos de cloro: una molécula de aspirina, C₉H₈O₄ contiene nueve átomos de carbono, ocho átomos de hidrógeno y cuatro átomos de oxígeno.

Algunos grupos de átomos se comportan químicamente como entidades únicas; por ejemplo, un átomo de nitrógeno y dos átomos de oxígeno se combinan en un grupo o radical nitro, el cual puede formar parte de una molécula. En las fórmulas de compuestos que contienen dos o más de los mismos grupos, la fórmula del grupo se encierra entre paréntesis para indicar su presencia. De este modo, el 2, 4, 6-trinitrotuleno (con frecuencia abreviado TNT) contiene tres grupos nitro y su fórmula es C₇H₅(NO₂₎₃ ;para multiplicar por 3, el número de átomos de nitrógeno y oxígeno del grupo NO₂; por lo tanto, en una molécula de TNT hay siete átomos de carbono, cinco de hidrogeno, tres de nitrógeno y seis de oxígeno.

Los compuestos se consideraron sustancias distintas debido a sus diferentes propiedades físicas, y a que se podían separar uno de otro. Una vez establecido el concepto de átomos y moléculas, se comprendió la razón de las diferencias en las propiedades: dos compuestos son diferentes entre si porque sus moléculas son distintas. Por el contrario, si dos moléculas contienen el mismo número de átomos del mismo tipo, arreglados de manera similar, entonces ambas son moléculas del mismo compuesto. De esta manera, la teoría atómica explica la ley de las propiedades definidas.

Esta ley, conocida también como la ley de la composición constante tiene una gran importancia para realizar cálculos:

Diferentes muestras puras de un compuesto siempre contiene los mismos elementos en la misma proporción en masa.

En el campo de la química, los compuestos se citan por su nombre.

Para una sutancia compuesta por moléculas, la fórmula química indica el número de átomos de cada tipo en las moléculas, pero no expresa el tipo de enlace ni el orden en que se unen los átomos en las moléculas.

La fórmula estructural indica cómo están unidos los átomos. Las líneas que unen a los símbolos atómicos representan enlaces químicos entre los átomos.
Estos enlaces representan fuerzas que mantienen a los átomos a cierta distancia y ángulo entre sí. Por ejemplo, la formula estructural del propano indica que tres átomos de C están enlazados en una cadena con tres átomos H unidos a cada uno de los átomos C del extremo de la cadena y dos átomos de H unidos al átomo C central.

 

Átomos y moléculas

El lenguaje que los químicos emplean para describir las formas de la materia y los cambios posibles en su composición se ecuentra en todo el mundo científco. Los símbolos químicos, las fórmulas y las ecuaciones aparecen en áreas tan diversas como son agricultura, economía doméstica, ingeniería, geología, física, biología, medicina y odontología. 

La palabra "estequiometría" deriva del griego stoicheion, que significa "primer principio o elemento", y metron, que quiere decir "medida". La estequiometría describe las relaciones cuantitativas entre los elementos en los compuestos (composición estequiométrica) y entre las sustancias cuando experimentan cambios químicos (estequiometría de reacción).

Aproximadamente 400 a.C., el filósofo griego Demócrito sugirió que toda la materia estaba formada por partículas minúsculas, discretas e indivisibles, a las cuales llamó átomos. Sus ideas fueron rechazadas durante 2000 años, pero a fines del siglo XVIII comenzaron a ser aceptadas.

En 1808, el maestro de escuela inglés, John Dalton, publicó las primeras ideas "modernas" acerca de la existencia y naturaleza de los átomos. Resumió y amplió los vagos conceptos de antiguos filósofos y científicos. Esas ideas forman la base de la teoría atómica de Dalton, que es de las más relevantes dentro del pensamiento científico. Los postulados de Dalton se pueden enunciar en la siguiente forma condensada:

1. Un elemento está compuesto de partículas pequeñas e indivisibles llamadas átomos.
2. Todos los átomos de un elemento dado tiene propiedades idénticas, las cuales difieren de las de átomos de otros elementos.
3. Los átomos de un elemento no pueden crearse, destruirse o transformarse en átomos de otros elementos.
4. Los compuestos se forman cuando átomos de elementos diferentes se combinan entre sí en una proporción fija.
5. Los números relativos y tipos de átomos son constantes en un compuesto dado.

En la época de Dalton ya se conocía la ley de la conservación de la materia y la ley de las proporciones definidas, las cuales fueron la base de su teoría atómica. Dalton consideró que los átomos eran esferas sólidas e indivisibles, idea que en la actualidad se rechaza, pero demostró puntos de viusta jmportantes acerca de la naturaleza de la materia y sus interacciones. En ese tiempo algunos de sus postulados no pudieron verificarse (o refutarse) experimentalmente, ya que se basaron en las limitadas observaciones experimentales de su época. Aun con sus limitaciones, los postulados de Dalton constituyen un marco de referencia que posteriormente los científicos pudieron modificar o ampliar. Por esta razón se considera a Dalton como el padre de la teoría atómica.

Las partículas más pequeñas de un elemento que mantiene su identidad química a través de todos los cambios químicos y físicos se llama átomo. En casi todas las moléculas, dos o más átomos se unen entre sí formando unidades discretas muy pequeñas (partículas) que son eléctricamente neutras.

Una molécula es la partícula más pequeña de un compuesto o elemento que tiene existencia estable e independiente. Un átomo de oxígeno no puede existir sólo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal; por tanto, cuando se mezclan átomos de oxígeno en esas condiciones, de inmediato se combinan en pares. El oxígeno que se conoce está formando por dos átomos de oxígeno; es una molécula diatómica O2. Otros ejemplos de moléculas diatómicas son el hidrógeno, el nitrógeno, el flúor, el cloro, el bromo y el yodo.

Otros elementos existen como moléculas más complejas; por ejemplo, el fósforo forma moléculas de cuatro átomos y el azufre moléculas de ocho átomos a temperatura y presiones normales. Las moléculas que contienen más de dos átomos se denominan moléculas poliatómicas.

Las moléculas de los compuestos están formadas por más de un tipo de átomos. una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Una molécula de metano consta de un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno.
Los átomos son los componentes de las moléculas, y éstas a su vez son los componentes de los elementos y de la mayor parte de los compuestos. A simple vista es posible observar las muestras de los compuestos y elementos, formadas por grandes números de átomos y moléculas. Con el microscopio electrónico es posible "ver" en la actualidad a los átomos. Para formar una fila de 2.5cm de largo serían necesario 217 millones de átomos de silicio.

Metales, no metales y metaloides

Los elementos se clasificaron de diversas maneras, basándose en sus posiciones en la tabla periódica. En otro esquema de clasificación, los elementos suelen dividirse en tres clases: metales, no metales y metaloides.

Los elementos a la izquierda de los que se tocan a la linea zig-zag son metales (con excepción del hidrógeno), mientras que los que se encuentran a la derecha son no metales. Esta clasificación es algo arbitraria y hay elementos que no se adaptan bien a cualquiera de estas clases.

Los elementos adyacentes a la línea marcada suelen llamarse metaloides (o semimetales) porque muestran algunas propiedades características tanto de los metales como de los no metales.

Las propiedades generales de los metales y los no metales son opuestas. No todos los metales y no metales poseen dichas propiedades, pero las comparten en grado variable. Las propiedades físicas del enlace metálico en sí depende del número de electrones, en especial electrones desapareados que se encuentran más allá de la "última" capa con configuración de gas noble.

Como se indicó con anterioridad, los metaloides muestran algunas propiedades características tanto de metales como de no metales. Muchos de los metaoides como el silicio, el germanio y el antimonio, actúan como semiconductores, y son importantes para los circuitos electrónicos de estado sólido. Los semiconductores son aislantes a temperaturas inferiores, pero algunos son conductores a temperaturas más altas.

El aluminio es el más metálico de los metaloides y en ocasiones se clasifica como metal. Tiene apariencia metálica y es un conductor excelente de la electricidad, pero su conductividad eléctrica aumenta al elevarse la temperatura. Las conductividades de los metales disminuyen al elevarse la temperatura.

Electronegatividad

La electronegatividad de un elemento mide la tendencia relativa del átomo a atraer los electrones hacia sí cuando combina químicamente con otro átomo.

Las electronegatividades de los elementos se expresan en una escala algo arbitraria llamada escala de Pauling. La electronegatividad del flúor (4.0) es la más alta de todos los elementos. Esto indica que cuando el ion flúor está enlazado químicamente a otros elementos, muestra mayor tendencia a atraer la densidad electrónica hacia sí que cualquier otro elemento. El oxígeno es el segundo elemento más electronegativo.

Para los elementos representativos, las electronegatividades suelen aumentar de izuiqerda a derecha a lo largo de los periodos y de abajo hacia arriba dentro de los grupos.

Las variaciones entre los elementos de transición no son tan regulares. Por lo general, tanto las energías de ionización como las electronegatividades son bajas para los elementos que se encuentran en la parte izquierda inferior de la tabla y altas para los que están en la parte superior derecha.

Aunque la escala de electronegatividad es algo arbitraria, puede emplearse para precedir otro tipo de enlace ocn bastante exactitud. Los elementos con grandes diferencias de electronegatividad tienden a reaccionar entre sí para formar compuestos iónicos. El elemento menos electronegativo cede su electrón (o electrones) al elemento más electronegativo. Los elementos con diferencias pequeñas de electronegatividad tienden a formar enlaces covalentes entre sí, es decir, comparten sus electrones. En este proceso el elemento más electronegativo atrae más electrones.