Química inorgánica

Contenido

Lista de símbolos y abreviaturas

A manera de prólogo e introducción

Capítulo 1. Estructura atómica y tabla periódica

1.1 Orbital atómico

1.2 Números cuánticos

1.3 Principio de exclusión de Pauli

1.4 Configuración electrónica

1.5 Efecto de pantalla y poder de penetración

1.6 Carga nuclear efectiva

1.7 Propiedades magnéticas de las sustancias

1.8 Regla de Hund

1.9 Principio de construcción

1.10 Configuración electrónica y tabla periódica

1.11 Electrones de valencia

Capítulo 2. Configuración electrónica y propiedades periódicas de los elementos químicos

2.1 Ley periódica

2.2 Energía de ionización (I)

2.3 Afinidad electrónica (F)

2.4 Electronegatividad ( )

2.5 Radio atómico y radio iónico

Capítulo 3. Enlace químico

3.1 Enlace iónico

3.2 Enlace covalente

3.3 Enlace químico covalente y geometría molecular

3.4 Teorías mecánico–cuánticas del enlace químico

3.5 Enlace metálico

3.6 Enlace (puentes) de hidrógeno

3.7 Fuerzas intermoleculares

3.8 Tipos de cristales

Capítulo 4. Clasificación y nomenclatura de los compuestos químicos inorgánicos

4.1 Óxidos

4.2 Ácidos

4.3 Bases

4.4 Sales

4.5 Hidruros

Capítulo 5. Tabla periódica, propiedades físicas y actividad química de las sustancias químicas inorgánicas

5.1 Propiedades físicas de los elementos

5.2 Reactividad química de los elementos

Capítulo 6. Métodos de obtención de elementos químicos en estado libre

6.1 Métodos químicos para la obtención de elementos en estado libre

6.2 Métodos electroquímicos para la obtención de elementos en estado libre

6.3 Separación de elementos entre sí, eliminación de escorias

Capítulo 7. Química inorgánica descriptiva

7.1 Hidrógeno

7.2 Elementos del grupo IA. Metales alcalinos (grupo 1)

7.3 Elementos del grupo IIA. Metales alcalino–térreos (grupo 2)

7.4. Elementos del grupo IIIA. Elementos térreos (grupo 3)

7.5 Elementos del grupo IVA (grupo 14)

7.6 Elementos del grupo VA (grupo 15)

7.7 Elementos del grupo VIA. Calcógenos (grupo 16)

7.8 Elementos del grupo VIIA. Halógenos (grupo 17)

7.9 Elementos del grupo VIIIA. Gases nobles (grupo 18)

Referencias bibliográficas

A mi esposa, Adriana, que con su dedicación y apoyo incondicional me acompañó durante todo el proceso de creación de este material; a mis hijos, Sergio Eduardo y Ekaterina, quienes esperan con orgullo la publicación del libro, y a mi familia que me brinda su cariño y apoyo permanentemente.

Agradecimientos

Ala Universidad Distrital Francisco José de Caldas por el año sabático concedido para la realización de este libro, a la oficina de publicaciones que me acompañó en el proceso de edición y publicación, a mis estudiantes que inspiraron la idea y dieron origen a los apuntes de preparación de clases que he acumulado durante años de enseñanza, a todas aquellas personas que de una u otra manera aportaron para la culminación exitosa de este proyecto.

Lista de símbolos y abreviaturas

(ac) acuoso

Ao angstrom

~aproximadamente

∆calentamiento

δ- carga parcial negativa

δ+ carga parcial positiva

hconstante de Planck

ρdensidad

electronegatividad

ēelectrón

ē(solv) electrón solvatado

πenlace pi

σenlace sigma

↑espín

función de onda

(g) gaseoso

(l) líquido

λlongitud de onda

nm nanómetro

ms número cuántico de espín

mℓ número cuántico magnético

ℓnúmero cuántico de momento angular

nnúmero cuántico principal

1/2 periodo de vida media

potencial estándar de reducción

Ipotencial de ionización

Ppresión

Teb punto de ebullición

Tf punto de fusión

rradio atómico

(s) sólido

(conc.) solución concentrada

(dil.) solución diluida

Ttemperatura

∆Ho variación de la entalpia

A manera de prólogo e introducción

La química inorgánica es una ciencia eminentemente práctica, que tiene sus raíces en las recetas y métodos que antiguas civilizaciones utilizaron para la obtención de metales a partir de menas y minerales, pigmentos para sus pinturas, vidrios y cerámicas, etc.

La sistematización de los conocimientos acumulados ha permitido que la química inorgánica se consolide como una ciencia que estudia las interacciones entre diferentes sustancias de tipo no orgánico. Sin embargo, el vertiginoso desarrollo tecnológico de la sociedad contemporánea ha impulsado actividades, tanto de aplicación, como de investigación, que han llevado al surgimiento de nuevas áreas de la química inorgánica, como lo son la bioinorgánica, la química de los compuestos organometálicos, la química del estado sólido, entre otros.

La química inorgánica es una ciencia dinámica en constante construcción y en ningún caso es un conjunto de nociones y conceptos acabados e invariables. En consecuencia, no es fácil determinar cuál material debe incluirse y cuál no al momento de emprender la agotadora, pero satisfactoria, empresa de escribir un libro de texto. De otra parte, es claro que lo mínimo por incluir es una conceptualización teórica que muestre los principios químicos necesarios (estructura atómica, ley periódica, enlace químico, reactividad química, etc.) para entender el comportamiento químico, la química inorgánica descriptiva y aplicaciones de los elementos y sus compuestos.

El presente libro de texto contiene siete capítulos, organizados de la siguiente manera: el capítulo 1, Estructura atómica y tabla periódica, tiene como objetivo mostrar a la luz de la teoría cuántica la estructura interna del átomo, que conlleve a entender la distribución de los electrones alrededor del núcleo. Esto, de una parte, da la posibilidad de construcción de un sistema periódico en el cual cada elemento tiene una ubicación específica y única conforme a su número atómico; de otro lado, permite comprender la reactividad química de los elementos, la cual está directamente relacionada con la envolvente electrónica.

El capitulo 2, Configuración electrónica y propiedades periódicas de los elementos químicos, es continuación del primer capítulo, y pretende mostrar que muchas propiedades químicas dependen de la distribución electrónica que tengan los átomos de los elementos. Así, átomos de elementos con configuración electrónica de valencia similar presentan tendencias semejantes en su comportamiento químico y por eso son reunidos en un mismo grupo de la tabla periódica, aspecto que facilita su estudio. Entonces, conocer los patrones de variación de las propiedades periódicas redunda en una mejor comprensión de las propiedades químicas.

En el capítulo 3, Enlace químico, se busca dar respuesta a preguntas como: ¿por qué se enlazan los átomos de diferentes elementos? ¿Qué fuerzas los mantienen unidos? También se estudia la geometría de las moléculas y su relación con propiedades físicas importantes: punto de fusión, punto de ebullición, estado de agregación, etc.

La teoría de Lewis acerca del enlace químico es fácil de entender y útil en la predicción de la geometría molecular. No obstante, no da respuesta a la vital pregunta: ¿cuál es el mecanismo de formación del enlace químico? Para responder a esto se introducen las teorías mecánico–cuánticas del enlace químico: Teoría del Enlace de Valencia y Teoría del Orbital Molecular.

Hasta aquí se analizarán dos tipos de enlace químico: iónico y covalente. Pero, para entender las propiedades físicas y químicas de la mayoría de los elementos que conforman la tabla periódica, los metales y el singular hidrógeno, se incluyen de manera introductoria el enlace metálico y el enlace (puentes) de hidrógeno. Por otro lado, conocer la estructura cristalina de diferentes sólidos permite comprender su comportamiento físico y químico; por esta razón será un tema tratado en el texto.

Clasificar y nombrar las sustancias químicas inorgánicas facilita su estudio. Por esta razón, se introdujo el capitulo 4, Clasificación y nomenclatura de los compuestos químicos inorgánicos.

Es importante recordar que el Nomenclatura Committe of the International Union of Pure and Applied Chemistry propuso un nuevo sistema de numeración de los grupos (1–18) de la tabla periódica. Pero como en la actualidad este nuevo sistema no ha sido adoptado universalmente, los grupos se enumeran teniendo en consideración ambos sistemas: IA (1), IIA (2),…, VIIA (17), VIIIA (18).

Las propiedades físicas punto de fusión, punto de ebullición, densidad, dureza, entre otras, varían periódicamente y dependen de factores como tipo de estructura, tipo de enlace químico, fuerzas intermoleculares. Las propiedades químicas están relacionadas con propiedades periódicas como radio atómico, energía de ionización, electronegatividad, así como con las propiedades ácido–base y propiedades REDOX de las sustancias. La estabilidad (o inestabilidad) de una sustancia se determina si se conoce su actividad química frente al agua, ácidos, álcali y agentes oxidantes fuertes. Lo anterior sirve de justificación para la inclusión del capítulo 5, Tabla periódica, propiedades físicas y actividad química de las sustancias químicas inorgánicas.

Por la importancia industrial que representa la producción de metales en estado libre, en el capítulo 6, Métodos de obtención de elementos químicos en estado libre, se hace una introducción a los diferentes métodos de síntesis, refinación, separación de elementos entre sí y eliminación de escorias.

El capítulo 7, Química inorgánica descriptiva, es el capítulo central del presente libro de texto, por la extensión y por presentar el contenido principal.

Por su valor didáctico, en el desarrollo de este capítulo se ha seguido el sistema periódico, iniciando con el hidrógeno, que es un elemento singular que no sigue el comportamiento de los elementos de ningún grupo, sino que presenta un comportamiento físico y químico propio. Seguidamente se estudian las propiedades de los elementos desde el grupo IA (1) hasta el VIIIA (18). Los elementos de transición se analizan de manera paralela y comparativa con las propiedades de diferentes tipos de compuestos que forman los elementos representativos. Por ejemplo, los siliciuros de los metales de transición se estudian junto con los siliciuros de los metales alcalinos y alcalino–térreos.

La organización de los contenidos de cada grupo, como mínimo, siempre incluye: propiedades periódicas y físicas, propiedades químicas, compuestos en diferentes estados de oxidación y aplicaciones.

En los grupos IA y IIA se muestran las propiedades particulares del litio y berilio, respectivamente.

Los dos primeros elementos de cada grupo principal se denominan elementos característicos, ya que además de presentar propiedades comunes a sus congéneres de grupo, tienen comportamientos individuales característicos. Los restantes elementos de grupo poseen propiedades más cercanas entre sí; por ello, se relaciona por separado la química de los elementos característicos y luego la de los demás elementos de grupo. Por ejemplo, el grupo IVA está constituido por carbono (C), silicio (Si), germanio (Ge), estaño (Sn) y plomo (Pb). El estudio de sus propiedades físicas, químicas y aplicaciones se aborda de la siguiente manera:

7.5.3.1 Carbono

7.5.3.2 Silicio

7.5.3.3 Compuestos de germanio, estaño y plomo

7.5.4 Otras aplicaciones

Cabe anotar que el titulo Otras aplicaciones indica que durante la exposición del comportamiento de los elementos de un grupo (en el ejemplo del grupo IVA) ya se han señalado algunas aplicaciones y aquí se está complementando la información.

Los datos de las tablas denominadas Propiedades periódicas y físicas del grupo X fueron tomados de diferentes fuentes.

Al final del libro se relacionan todas las referencias bibliográficas usadas. Esto se hace con el propósito de dar los créditos respectivos, y de permitir la ampliación de la consulta del lector interesado, más aún si se tiene en cuenta que ningún libro de química inorgánica está en capacidad de abordar la vasta extensión de información disponible.

Finalmente, se considera que el material seleccionado y la estructura adoptada permiten, tanto a estudiantes, como a profesores de la Licenciatura en Química de la Universidad Distrital y de otras carreras universitarias, que tengan programas de Química Inorgánica, la construcción significativa, argumentada y crítica de los diferentes conceptos estructurantes de esta disciplina, a nivel de cursos básicos.

Consciente de que no es un tratado y tampoco pretende ser completo, agradezco todos los comentarios que conduzcan al mejoramiento del material que pongo a disposición de la comunidad académica.

Luis Eduardo Peña Prieto

Ph. D. en Química

Capítulo 1

Estructura atómica y tabla periódica

Como es sabido, un átomo está formado de núcleo y electrones que giran alrededor de este. En el núcleo se encuentran los protones que son los que le dan la identidad a cada átomo. Así, el átomo de oxígeno tiene 8 protones, el de cloro, 17 protones; el de estroncio, 38 protones, etc.; de esta manera, una característica fundamental que diferencia un átomo de otro es el número de protones en el núcleo. A esta cantidad se la denomina número atómico.

Los elementos están formados de átomos, y como consecuencia los elementos químicos se diferencian unos de otros por el número atómico.

Como resultado de las reacciones químicas, el núcleo del átomo no sufre ningún tipo de cambio, mientras que las capas electrónicas que lo rodean sí. Por esta razón, es importante estudiar el estado del electrón en el átomo y la configuración electrónica de los átomos de diferentes elementos (Хомченко, 1993, p. 34).

El estado del electrón en el átomo es descrito por la mecánica cuántica, que estudia el movimiento e interacciones de las micropartículas (átomos, moléculas, núcleos atómicos, electrones).

De acuerdo con la mecánica cuántica, las micropartículas tienen propiedades, tanto corpusculares, como ondulatorias; es decir, poseen masa y bajo ciertas condiciones (elevadas velocidades) se comportan como ondas. Con relación al electrón, se puede afirmar que como partícula ejerce presión y cómo onda un haz de electrones acelerados sufre fenómenos de la luz, como la difracción.

Conforme al principio de incertidumbre de Heisenberg (1901-1976): es imposible conocer con certeza el momento p (definido como la masa por la velocidad) y la posición de una partícula simultáneamente (Chang, 2002, p. 263); el electrón gira alrededor del núcleo no a través de órbitas de radio definido (como lo postuló equivocadamente Niels Bohr), sino a través de una región alrededor del mismo.

En 1926 el físico austriaco Erwin Schrödinger, luego de análisis matemáticos muy complejos, dedujo la ecuación que lleva su nombre. Esta ecuación describe el movimiento y la energía del electrón alrededor del núcleo, teniendo en cuenta el postulado de Louis de Broglie acerca de la dualidad de propiedades corpusculares-ondulatorias de las micropartículas en movimiento.

1.1 Orbital atómico

De acuerdo con la teoría mecánico-cuántica y con la resolución de la ecuación de Schrödinger para el átomo de hidrógeno, un orbital atómico es la región en el espacio alrededor del núcleo, donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima. Esta región constituye lo que se denomina nube electrónica que posee cierta densidad electrónica de carga eléctrica negativa.

Para facilitar la comprensión de estos conceptos, supóngase que es posible fotografiar al electrón millones de veces en un lapso muy corto. En cada fotografía la posición del electrón es representada por un punto. La superposición del conjunto de fotografías da como resultado la nube electrónica. En aquellas regiones donde el número de puntos es mayor, la densidad electrónica también lo es. La máxima densidad electrónica corresponde a la máxima probabilidad de encontrar al electrón en esa región del espacio alrededor del núcleo.

En las proximidades del núcleo la densidad electrónica es nula. A medida que se aleja de este, la densidad electrónica aumenta y alcanza así su máximo a una distancia ro, luego de la cual la densidad electrónica disminuye paulatinamente y tiende a cero en el infinito (figura 1.1).

Figura 1.1 Distribución radial de la densidad electrónica.

Fuente: elaboración propia.

A mayor atracción entre el electrón y el núcleo, mayor densidad electrónica y menor radio posee la nube electrónica.

La resolución de la ecuación de Schrödinger permite describir el comportamiento del electrón en el átomo de hidrógeno, que es un sistema de un protón y un electrón. Para ello, se introducen cuatro números cuánticos.

En el caso de átomos polielectrónicos, la ecuación de Schrödinger no tiene solución. Sin embargo, los físicos y químicos utilizan métodos aproximados de resolución que arrojan resultados satisfactorios.

1.2 Números cuánticos

Un orbital atómico, y en consecuencia un electrón que se encuentra en ese orbital atómico, se puede describir satisfactoriamente con la ayuda de cuatro números cuánticos, a saber:

1. Número cuántico principal (n). Se representa con la letra n y muestra el tamaño del orbital atómico, dentro de los marcos en los cuales gira el electrón alrededor del núcleo. A mayor atracción entre el electrón y el núcleo, menor es el tamaño del orbital atómico y menor la energía del electrón. n también muestra el nivel energético en el que se encuentra el electrón. Todos los electrones que poseen energías cercanas ocupan el mismo nivel energético. n toma valores enteros iguales a 1, 2, 3, 4,… A medida que aumenta n, aumenta el tamaño del orbital atómico, disminuye la atracción entre el electrón y el núcleo, y aumenta la energía del electrón. El electrón tiende a encontrarse en el estado de menor energía. Para el átomo de hidrógeno, el electrón se encuentra en el nivel energético n=1, correspondiente al estado fundamental o basal de energía; en este estado, el electrón permanece indefinidamente. Todos los estados diferentes al fundamental se conocen como estados excitados, (n=2, 3, 4,.., para el átomo de hidrógeno). En el estado fundamental, la atracción entre el electrón y el núcleo es fuerte. Cuando el átomo se encuentra en estado excitado, la atracción entre el electrón y el núcleo disminuye, incluso hasta la separación del electrón. En estado excitado, el electrón puede encontrarse algunas fracciones de segundo (10 -8 -10 -10 s) ( Ахметов, 1988, p. 26). La excitación del átomo ocurre como resultado de calentamiento, descarga eléctrica, absorción de luz, etc. En cualquiera de estos casos, el átomo absorbe únicamente ciertas cantidades de energía (cuantos), correspondientes a la diferencia de energía entre dos niveles energéticos del electrón. Una vez absorbida la energía, el electrón regresa a su estado basal, emitiendo la misma cantidad de energía que absorbió (espectro de emisión).

2. Número cuántico de momento angular (ℓ). También es conocido como número cuántico secundario o de orbital. Muestra la forma geométrica del orbital atómico, o sea, la forma geométrica de la nube electrónica. ℓ toma valores desde cero hasta (n–1); por ejemplo, si n=1, entonces ℓ=1–1=0, lo que indica que ℓ toma un único valor igual a cero. Si n=2, entonces ℓ=2–1=1. En este caso, ℓ toma valores desde cero hasta 1: ℓ=0,1. Si n=3; así, ℓ=3–1=2 y ℓ=0, 1, 2. Si n=4, entonces, ℓ=4–1=3 y ℓ=0, 1, 2, 3. De esta manera,, en el primer nivel energético (n=1) hay solo un tipo de orbital (ℓ=0); en el segundo nivel energético (n=2), dos tipos de orbitales (ℓ=0,1); en el tercer nivel energético (n=3), tres tipos de orbitales (ℓ=0,1,2); en el cuarto nivel energético (n=4), cuatro tipos de orbitales (ℓ=0,1,2,3). El número cuántico de momento angular (ℓ) es representado a través de las siguientes letras:

El valor de ℓ depende de n:

De acuerdo con los resultados de los cálculos mecánico–cuánticos, los orbitales tipo s tienen forma esférica, los de tipo p, forma de dos lóbulos en ángulo de 180o entre sí con relación al núcleo; los de tipo d y f, formas geométricas más complejas.

Es importante tener en cuenta que:

•Todos los orbitales que poseen el mismo valor