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.

Afinidad electrónica

La afinidad electrónica (AE) de un elemento se define como:

La cantidad de energía que se absorbe cuando se añade un electrón a un átomo gaseoso aislado para formar un ión con carga -1.

Por convención se asigna valor positivo a la energía que se absorbe y valor negativo a la que se libera. En la mayoría de los elementos se absorbe energía.

Las afinidades electrónicas del berilio y el cloro pueden representarse como sigue:

Be(g) + e^- + 241 Kj  -------->> Be^- (g)  AE = 241 kJ/mol

Cl(g) + e^-   -------->>  Cl^- (g) + 348 kJ   AE = -348kJ/mol

La primera ecuación indica que cuando los átomos de berilio gaseoso ganan un electrón para formar iones gaseosos de Be^-, se absorben 241 kJ/mol de iones (reacción endotérmica). La segunda ecuación dice que cuando un mol de átomo gaseoso de cloro gana un electrón para formar iones cloro gaseosos, se liberan 348 kJ/mol de energía (reacción exotérmica).

La afinidad electrónica es la adición de un electrón a un átomo gaseoso neutro. El proceso mediante el cual el átomo neutro X gana un electrón (AE).

X(g) + e^-   ------ >> X^- (g)   (AE)

no es el inverso el proceso de ionización,

X⁺ (g) + e^-   ------>>  X(g)

El primero se inicia en un átomo neutro, mientras que el segundo se inicia en un ión positivo. Por lo tanto, (EI₁) y AE no tienen el mismo valor de signos opuestos.

Los elementos con afinidades electrónicas muy negativas ganan electrones con facilidad para formar iones negativos (aniones). Las afinidades electrónicas, por lo general, se hacen más negativas de izquierda a derecha a lo largo de una línea en la tabla periódica (excluyendo a los gases nobles). Esto significa que los elementos representativos de los grupos IA a VIIA muestran mayor atracción para un electrón adicional de izquierda a derecha. Los halógenos que tienen la configuración electrónica externa ns²np⁵, tienen afinidades electrónicas de tipo más negativo.

Forman aniones estables con configuración de gas noble, ... ns²np⁶, al obtener un electrón.

La afinidad electrónica es un término preciso y cuantitativo al igual que la energía de ionización, aunque es difícil de medir.

Por diversos motivos, las variaciones de afinidades electrónicas no son regulares a lo largo de un periodo. La tendencia general es que las afinidades electrónicas de los elementos se hacen más negativas de izquierda a derecha en cada periodo. Algunos exepciones notables son los elementos del grupo IIA y del grupo VA. Éstos tenen valores menos negativos (más positivos) de lo que sugiere la tendencia. La afinidad electrónica de un metal HA es muy positiva porque implica la adición de un electrón a un átomo que tiene orbitales ns completamente llenos y orbitales np vacíos. Los valores para los elementos VA son ligeramente menos negativos de lo esperado, porque implican la adición de un electrón a un conjunto semilleno y relativamente estable de orbitales np (ns²np³ ----> ns²np⁴).

La adición de un segundo electrón para formar un ión con carga 2 - siempre es endortérmica, de manera que las afinidades electrónicas de aniones siempre son positivas.

 

Energía de ionización

La primera energía de ionización, (EI₁) también conocida como primer potencial de ionización, es:

La cantidad mínima de energía que se requiere para remover al electrón enlazado con menor fuerza en un átomo aislado para formar un ion con carga +1.

Por ejemplo para el calcio, la primera energía de ionización, (EI₁), es 590 kJ/mol:

Ca(g) + 590 kJ     --------> Ca⁺(g) + e

La segunda energía de ionización (EI₂), es la cantidad de energía que se requiere para desplazar al segundo electrón. En el caso del calcio se representa asi:

 Ca⁺(g) + 1145 kJ  -------> Ca²⁺(g) + e

Para un elemento dado, (EI₂) siempre es mayor que (EI₁) porque siempre es más dificil desplazar a un electrón de un ion con carga positiva que del átomo neutro correspondiente.

Las energías de ionización miden la fuerza con que los electrones se encuentran enlazados a los átomos. En la ionización siempre se requiere energía para eliminar a un electrón de la fuerza de atracción del núcleo. Las energías de ionización bajas indican que los electrones se eliminan con facilidad y por lo tanto, se forma fácilmente un ion positivo (catión).

El conocimiento de los valores relativos de las energías de ionización ayudan a predecir si es probable que el elemento forme compuestos ionicos o moleculares (covalentes). Los elementos con energía de ioniazación bajas forman compuestos ionicos al perder electrones, dando lugar a iones con carga positivas (cationes). Los elementos con energía de ionización intermedia, por lo general, forman compuestos moleculares compartiendo electrones con otros elementos. Los elementos con energía de ionización muy alta, por elemplo el grupo VIA y el VIIA, a menudo ganan electrones para formar iones con carga negativa (aniones).

El electrón

En la década de 1890, muchos científicos estaban interesados en el estudio de la radiación, la emisión y transmisión de la energía a través del espacio en forma de onda. La información obtenida por estas investigaciones contribuyó al conocimiento de la estructura atómica. Para investigar sobre este fenómeno se utilizó un tubo de rayos catódicos, precursor de los tbos utilizados en los televisores. Consta de un tubo de vidrio del cual se ha evacuado casi todo el aire. Si se colocan dos placas metálicas y se conectan a una fuente de altro voltaje, la placa con carga negativa, llamada cátodo, emite un rayo invisible. Este rayo catódico se dirige hacia la placa con carga positiva, llamada ánodo, que atraviesa por una perforación y continúa su trayectoria hasta el otro extremo del tubo. Cuando dicho rayo alcanza el extremo, cubierto de una manera especial, produce una fuerte fluorescencia o luz brillante.

En algunos experimentos se colocaron, por fuera del tubo de rayos catódicos, dos placas cargadas eléctricamente y un electroimán. De acuerdo con la teoría electromagnética, un cuerpo cargado, en movimiento, se comporta como un imán y puede interactuar con los campos magnéticos y eléctricos que atraviesa. Debido a que los rayos catódicos son atraídos por la placa con carga positiva y repelidos por la placa con carga negativa, deben consistir en particulas con carga negativa. Actualmente, estas partículas con carga negativa se conocen como electrones.

El físico inglés J. J. Thomson, utilizó un tubo de rayos catódicos y su conocimiento de la teoría electromagnética para determinar la relación entre la carga eléctrica y la masa del electrón. El número que obtuvo fue de -1.76x10^8 C/g, en donde C es la unidad de carga eléctrica, en coulombs. Más tarde, entre 1908 y 1917, R. A. Millikan llevó a cabo una serie de experimentos para medir la carga del electrón con gran precisión. Su trabajo demostró que la carga de cada electrón era exactamente la misma. En su experimento, Millikan analizó el movimiento de minúsculas goptas de aceite que adquirian carga estática a partir de los iones del aire. Suspendía en el aire las gotas cargadas mediante una aplicación de un campo eléctrico y seguía su movimiento con un microscopio. Al aplicar sus conocimientos sobre electrostáticas. Millikan encontró que la carga de un electrón es de -1.6022x10^-19C. A partir de estos datos calculó la masa de un electrón:

Masa de un electrón =        carga     
                                      carga/masa

                               = -1.6022 x 10^-19C
                                     -1.76 x 10^8C/g

                              = 9.10 x 10^-28g

Que es un valor extremadamente pequeño.

Glosario de terminos importantes II

Ley de conservación de la energía. La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Ley de la conservación de la materia. No existe cambio detectable de cantidad de materia durante una reacción química.

Ley de la conservación de la energía y la materia. La cantidad total de materia y energía en el universo es constante.

Masa. Medida de la cantidad de materia que posee un objeto; suele medirse en gramos o kilogramos.

Materia. Todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Mezcla. Muestra de matera compuesta de dos o más sustancias, cada una de las cuales conserva su identidad y propiedades.

Mezcla heterogénea. Mezcla que no tiene composición ni propiedades uniformes.

Mezcla homogénea. Mezcla que tiene composición y propiedades uniformes.

Molécula. Partícula más pequeña de un compuesto que puede existir en forma individual.

Peso. Medida de la atracción gravitacional de la Tierra sobre un cuerpo.

Precisión. Concordancia entre diversas determinaciones de una misma cantidad.

Propiedad extensiva. Una propiedad que depende de la cantidad de materia de una muestra.

Propiedad física. Véase propiedades.

Propiedad intensiva. Propiedad que no depende de la cantidad de materia de una muestra.

Propiedad química. Véase propiedades.

Propiedades. Características que describen a una muestra de materia. Las propiedades químicas se observan cuando la materia experimenta cambios químicos, y las propiedades físicas se observan cuando se produzcan cambios de composición química.

Símbolo. Letra o gruo de letras que representa (identifica) a un elemento.

Sustancia. Cualquier tipo de materia cuyas muestras tienen la misma composción química y propiedades físicas identicas.

Temperatura. Mide la intensidad de calor, es decir, qué tan caliente o frío se encuentra un objeto o muestra.

Transferencia de calor y medición del calor

Las reacciones químicas y los cambios físicos ocurren tanto con una evolución simultánea de calor (procesos exotérmicos) o con una absorción de calor (procesos endotérmicos). La cantidad de calor que se transfiere con un proceso generalmente se expresa en calorías o en la unidad SI, que es el joule. La caloría se definió originalmente como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de agua a presión de una atmósfera de 14.5º C a 15.5º C. En la actualidad se define exactamente como 4.184 joules. La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua líquida varía ligeramente según temperatura y la presión, por lo que es necesario especificar un incremento de temperatura específico y una presión constante para describir ala caloría. Para los objetos del texto, se considera que dichas variaciones son suficientemente pequeñas para ignorarlas. Las kilocalorías, (1000 calorías) sirven para expresar el contenido de energía de los alimentos. En el presente texto los cálculos se efectuan en joules.

La unidad SI de energía y trabajo es el joule (J), el cual se define como 1 kg m²/s² . La energía cinética (Ec) de un cuerpo de masa m y que se mueve con una velocidad v , y está dado por  ½ · mv². Un objeto de 2kg que se mueve a un metro por segundo tiene Ec= ½ · (2kg)(1m/s)². 

1 kg · m²/s²= 1 joule. Puede ser más conveniente expresar esta unidad en función de la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua a 14.5º C a 15.5ºC, que es 4.184 joules.

El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de la sustancia un grado centígrado (también un kelvin) sin cambio de fase. Los cambios de fase (estado físico) absorben o liberan grandes cantidades de energía. El calor específico de cada sustancia, que es una propiedad física, difiere de las fases sólida, líquida y gaseosa de la sustancia. Por ejemplo, el calor específico del hielo es 2.09 J/g · ºC, cerca de los 0ºC; para el agua líquida es 4.18 J/g · ºC, mientras que para el vapor es 2.03 J/g · ºC cerca de los 100ºC, el calor específico del agua es bastante elevado.

Calor específico =                           (cantidad de calor en J)                               
                              (masa de la sustancia en g) · (cambio de temperatura en ºC) 

La capacidad  calorífica de un cuerpo es la cantidad de calor necesaria para elevar su temperatura 1ºC. La capacidad calorífica de un cuerpo es igual al producto de su masa en gramos por su calor específico.

Ejemplo:

¿Qué cantidad de calor en joules se requiere para elevar la temperatura de 205g de agua de 21.2ºC a 91.4ºC?

Solución:
El calor específico de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1g de sustancia 1ºC.
La expresión antes vista puede reordenarse, para despejar:  

Cantidad de calor = (masa de la sustancia) · (calor específico) · (cambio de temperatura)

                            = (205 g) (4.18 J/g · ºC) (70.2 ºC) = 6.02 x10⁴ J  

Calor y temperatura

Se estableció que el calor es una forma de energía. Asimismo, se indicó que las diferentes formas de energía pueden convertirse entre sí, y que en los procesos químicos la energía química se convierte en energía térmica y vicerversa. La cantidad de calor que requiere una reacción (endotérmica) o que libera (exotérmica) brinda una gran cantidad de información acerca de dicha reacción. Por esta razón es importante oder medir la intensidad de calor.

La temperatura mide la intensidad del calor, si un cuerpo está "caliente" o "frio". ¿Por qué se siente caliente un pedazo de metal a 100º C, mientras que u cubo de hielo a 0º C se siente frio? Esto se debe a que la temperatura del metal es mayor que la temperatura de la mano, y la del cubo de hielo menor. El calor fluye en forma espontánea del cuerpo más caliente al mas frio, nunca fluye en dirección opuesta.

Las temperaturas se miden, por lo regular, mediante termómetros de vidrio que contienen mercurio. Un termómetro de mercurio consiste en un depósito de mercurio en la base de un tubo de vidrio, conectado a una columna ascendente muy delgada (capilar), El mercurio se expande más que otros líquidos conforme aumenta su temperatura. Al efectuarse la expansión, puede observarse a través del capilar o columna de vacío.

Anders Celsius, un astrónomo sueco, desarrolló la escala de temperatura Celsius, la cual en sus inicios se denominó escala centígrada. Cuando se coloca un termómetro Celsius en un recipiente con hielo triturado y agua, el nivel del mercurio indica exactamente 0º C, el punto de referencia inferior. En un recipiente con agua hirviendo, el nivel del mercurio indica 100º C el punto de referencia superior. Hay 100 pasos o divisiones de igual tamaño entre esos dos niveles de mercurio, lo que equivale a un intervalo de 100 grados entre el punto de fusió0n del hielo y el punto de ebullición del agua a una atmósfera.

En Estados Unidos, las temperaturas generalmente se miden en la escala de temperatura diseñada por Gabriel Fahrenheit, un fabricante de instrumentación alemán. En esta escala, los puntos de congelación y ebullición del agua se definen como 32º F y 212º F, respectivamente. En el trabajo de investigación, las temperaturas suelen expresarse en la escara de temperatura absoluta o Kelvin. Como se verá, el punto cero de la escala de temperatura Kelvin se deriva del comportamiento observado en toda la materia.

En las escalas Celsius y Kelvin, los grados tienen la misma separación. Existen 100 grados entre el punto de congelación y ebullición del agua en ambas escalas; cada temperatura Kelvin se encuentra 273,15º por encima de la Celsius correspondiente. La relación entre las dos escalas es como sigue:

? K = ºC + 273.15º     o      ?ºC = K - 273.15º

En el sistema SI, los grados Kelvin se abrevian K en lugar de ºK, y se llaman kelvins.  Comparando con las escalas Celsius y Fahrenheit, se encuentra que los intervalos entre los mismos puntos de referencia son 100º C y 180º F, respectivamente, de manera que el grado Celsius es mayor que el grado Fahrenheit, es decir, 1.8 grados Fahrenheit cubren el mismo intervalo de temperatura que 1.0 grados Celsius. Con esta información, se encuentra el factor unitario:

1.8ºF   y    1.0ºC

1.0ºC        1.8ºF

Pero como los puntos iniciales de las dos escalas son diferentes, no s epuede convertir una temperatura de una escala a una temperatura de otra solamente multiplicándola por el factor unitario. Para convertir ºF a ºC, se debe agregar 32º F para ajustarse al punto cero de la escala Celsius.

?º F =  (xº C X 1.8 ºF) + 32 ºF               y         ? ºC = 1.0º C (xº F - 32º F)

                             1.0 ºC                                                     1.8º F

Ley de la conservación de la materia y la energía

Con el advenimiento de la era nuclear en la década de los 40, los científicos, y posteriormente el mundo entero, comprendieron que la materia se puede convertir en energía. En las reacciones nucleares la materia se transforma en energía. La relación entre materia y energía fue establecida por Albert Einstein mediante su famosa ecuación:

E = mc^2

Esta ecuación establece que la cantidad de energía que se libera, cuando la materia se transforma en energía, es el producto de la masa que se transforma y el cuadrado de la velocidad de la luz. Hasta el momento no se ha observado la transformación de la energía en materia a gran escala; sin embargo, se ha logrado a escala mínima en los "desintegradores atómicos" o aceleradores de partículas utilizados para llevar a cabo reacciones nucleares. Una vez que se reconoce la equivalencia de la materia y la energía se puede expresar la ley de la conservación de la materia y la energía en un enunciado sencillo:

"La cantidad combinada de la materia y energía en el universo es fija"

Ley de la conservación de la energía

En las reacciones químicas exotérmicas, la energía química casi siempre se convierte en energía calorífica, aunque en algunos procesos exotérmicos también se producen otros tipos de cambios de energía. Por ejemplo, en algunas reacciones se libera energía luminosa sin calor, y en otras, se produce energía eléctrica sin desprendimiento de calor o luz. En las reacciones endotérmicas, la energía calorífica, luminosa o eléctrica, se convierten en energía química. Aún cuando los cambios químicos siempre llevan consigo cambios de energía, algunas transformaciones de energía no implican cambios químicos. Por ejemplo, la energía calorífica se puede convertir en energía eléctrica o en energía mecánica sin cambios químicos simultáneos. Los experimentos han demostrado que toda la energía se convierte en algún cambio químico o físico aparece en alguna otra forma después del cambio; estas observaciones se resumen en la ley de la conservación de la energía, la cual se expresa en el enunciado siguiente:

"La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma"

Energía

Se define como la capacidad de realizar trabajo o transferir calor. Se conocen diversas formas de energía, que incluyen la energía mecánica, eléctrica, calorífica y luminosa. Los vegetales utilizan energía luminosa del sol para su crecimiento. La energía eléctrica permite iluminar un cuarto con sólo cerrar un interruptor. La energía calorífica permite cocinar los aliminentos y calentar los hogares.

La energía se puede clasificar en dos tipos principales: cinética y potencial.

Potencial

Cinetica

Un cuerpo en movimiento, como una roca que se despeña, posee energía debido a su movimiento; ésta se denomina energía cinética, y representa la capacidad de realizar trabajo en forma directa y se transfiere de un objeto a otro. La energía potencial es la energía que posee un cuerpo debido a su posición o su composición. El carbón, por ejemplo, posee energía química, una forma de energía potencial, debido a su composición. Algunas plantas generadoras de electricidad utilizan carbón, como combustible para producir calor y en forma subsecuente, energía eléctrica. Una roca que se encuentra en la cima de una montaña posee energía potencial debido a su altura. Cuando se despeña convierte su energía potencial en energía cinética. 

Todos los procesos químicos están acompañados de cambios de energía hacia el medio circundante al producirse, generalmente en forma de energía calorífica, éstas reacciones se denominan exotérmicas; sin embargo otras reacciones son endortérmicas, es decir, absorben energía del ambiente circundante.