INTRODUCCIÓN
Toda la materia está formada a partir de unas
unidadeselementales que existen en un
número limitado. estas unidades no pueden
serdivididas en partes más sencillas mediante
los métodos físicos o químicosusuales. en la
naturaleza existe 92 elementos químicos,
aunque los físicos hancreado 20 elementos
más mediante procesos que implican reacciones
nucleares.los elementos químicos fueron
clasificados por primera vez por Mendelejev
siguiendo unas pautas determinadas.
Estos elementos están divididos en tres
categorías:metales, no metales y metaloides,
aquí destacaremos los elementos metálicos y
no metálicos.
De los 112 elementos que se conocen, sólo 25
son no metálicos;su química a diferencia de los
no metales, es muy diversa, a pesar de que
representa un número muy reducido, la mayoría
de ellos son esenciales para lossistemas biológicos
(O, C, H, N, P y S). En el grupo de los no metales
seincluyen los menos reactivos: los gases nobles.
Las propiedades únicas del H loapartan del resto de
los elementos en la tabla periódica.
Los metales en su mayoría provienen de los minerales.
Losmetales más abundantes en la corteza terrestre
que existen en forma mineralson: aluminio, hierro,
calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio, y manganeso.
El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos
como Na+, Mg+y Ca+. La obtención del elemento puro
como el hierro,aluminio, entre otros se logra
mediante procesos metalúrgicos.
A continuación se desarrollaran algunos aspectos
importantesque engloban los elementos químicos:
metales y no metales.
CARÁCTER GENERAL DE LOS METALES Y NOMETALES
Metales
La mayor parte de los elementos metálicos exhibe el
lustrebrillante que asociamos a los metales.
Los metales conducen el calor y laelectricidad, son
maleables (se pueden golpear para formar láminas
delgadas) ydúctiles (se pueden estirar para formar
alambres). Todos son sólidos atemperatura ambiente
con excepción del mercurio (punto de fusión =-39 ºC),
que es un líquido. Dos metales se funden ligeramente
arriba de la temperaturaambiente: el cesio a 28.4 ºC y
el galio a 29.8 ºC. En el otro extremo, muchosmetales
se funden a temperaturas muy altas. Por ejemplo, el
cromo se funde a1900 ºC.
Los metales tienden a tener energías de ionización
bajas ypor tanto se oxidan (pierden electrones) cuando
sufren reacciones químicas. Losmetales comunes tienen
una relativa facilidad de oxidación. Muchos metales se
oxidan con diversas sustancias comunes, incluidos 02
Y los ácidos.
Se utilizan con fines estructurales, fabricación de
recipientes, conducción del calor y la electricidad.
Muchos de los iones metálicoscumplen funciones
biológicas importantes: hierro, calcio, magnesio,
sodio,potasio, cobre, manganeso, cinc, cobalto,
molibdeno, cromo, estaño, vanadio, níquel,....
NO METALES
Los no metales varían mucho ensu apariencia no
son lustrosos y por lo general son malos conductores
del calory la electricidad. Sus puntos de fusión son
más bajos que los de los metales(aunque el diamante,
una forma de carbono, se funde a 3570 ºC). Varios
nometales existen en condiciones ordinarias como
moléculas diatómicas. En estalista están incluidos
cinco gases (H2, N2, 02,F2 y C12), un líquido (Br2) y
un sólido volátil(I2). El resto de los no metales son
sólidos que pueden ser duroscomo el diamante o
blandos como el azufre. Al contrario de los metales,
son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni
en láminas. Se encuentranen los tres estados de la
materia a temperatura ambiente: son gases (como
el oxígeno),líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono).
No tienen brillo metálico y noreflejan la luz. Muchos no
metales se encuentran en todos los seres vivos:carbono,
hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre en
cantidadesimportantes. Otros son oligoelementos: flúor,
silicio, arsénico, yodo, cloro.
Comparación DE LOS METALES Y NO METALES
* Excepto hidrógeno y helio
LOCALIZACIÓN EN LA TABLA PERIÓDICA
Metales
Corresponde a los elementossituados a la izquierda y
centro de la TablaPeriódica (Grupos 1 (excepto hidrógeno)al
12, y en los siguientes se sigue una línea quebrada que, a
proximadamente,pasa por encima de Aluminio (Grupo 13),
Germanio (Grupo 14), Antimonio (Grupo15) y Polonio
(Grupo 16) de forma que al descender aumenta en estos
grupos elcarácter metálico).
No Metales
Los no metales son los elementossituados a la derecha
en la Tabla Periódica por encima de la línea quebrada
delos grupos 14 a 17 y son tan solo 25 elementos.
de número atómico, los elementos pueden agruparse,
por elparecido de sus propiedades, en 18 familias o grupos
(columnas verticales).Desde el punto de vista electrónico,
los elementos de una familia poseen lamisma configuración
electrónica en la última capa, aunquedifieren en el número
de capas (periodos). Los grupos o familias son 18 y se
corresponden con las columnas de la Tabla Periódica.
ESTADO FÍSICO DE LOS NO METALES MÁSIMPORTANTE
Grupo 1 A: Hidrógeno
Grupo4A: Carbono
Grupo5A: Nitrógeno,fósforo
Grupo6A: Oxígeno,azufre,
Grupo7A: Flúor,cloro,bromo,yodo.
Hidrógeno
Es un gas incoloro, inodoro e insípido.Poco
soluble en agua (2,5 volúmenes/%): la molécula
de hidrógeno es muyapolar. Se absorbe muy bien
por los metales: el paladioabsorbe hasta 850 veces
su volumen de hidrógeno. El hidrógeno gas difunde
fácilmentea través de los metales y del cuarzo.
Es relativamente inerte, pero con unligero aporte
energético se disocia y el hidrógeno monoatómico
resultante esmuy reactivo: con el oxígenolo hace
de forma explosiva y llama azul pálida. Reacciona
con otros muchoselementos: metales alcalinos,
alcalinotérreos(excepto berilio),algunos metales
del grupo d para formar hidruros metálicos; con
los del grupodel nitrógenoforma amoníaco, fosfina;
con los halógenosforma los halogenuros de hidrógeno.
Carbono
El carbono es un no metal inodoroe insípido,
Es insoluble en la mayoría de los disolventes.
Se encuentra en lanaturaleza en cuatro formas
alotrópicas: nanotubos,fullerenos,grafitoy diamante.
El diamante es uno de los materiales más duros
(10 en laescala de Mohs), aunque es quebradizo.
Es incoloro. Su conductividad térmica esalta.
No conduce la corriente. Es insoluble en
disolventes líquidos.
El grafito es muy blando y quebradizo, de tacto
resbaladizo.Su color va del gris mate al acerado.
Es la forma más abundante. Es insolubleen
disolventes líquidos.
Los fullerenos son nuevas formas sólidas de
un númerofinito de átomos de carbono. Realmente
es la única forma de carbono puro.
Los nanotubos son materiales frágiles,
dependiendo de laestructura unos pueden
conducir la corriente como los metales y otros no
;semiconductor o metal según la geometría.
Tienen un alta conductividad térmicaa lo largo
del tubo y muy baja en dirección perpendicular.
Nitrógeno
A temperatura ambiente, es un gas incoloro,
inodoro e insípido,no combustible, diamagnético,
en estado líquido también es incoloro e inodoroy
se parece al agua. El nitrógeno sólido es incoloro
y presenta dos formasalotrópicas.
Fósforo
Hay por lo menos 6 clases de fósforo (alótropos);
los másimportantes son: blanco (o amarillo), rojo,
negro y violeta.
El fósforo ordinario es un sólidoblanco céreo;
cuando es puro es incoloro y transparente. En
corte recienteparece amarillento. Es insoluble en
agua y soluble en disulfuro de carbono.Arde
espontáneamente en el aire con llama
blanco-amarillenta, produciendovapores
blancos de pentaóxido de difósforo (P2O5).
El fósforo blanco es un aislante. Brilla en la
oscuridad alaire debido a la transformación
del P2O3 de su superficieen P2O5, más estable.
El fósforo rojo, es insoluble en agua. Por
encima de 700ºCaparece la forma P2, es
muy venenoso.
El fósforo violeta (color rojo-violeta) no es
una formaimportante. Tiene una estructura
en capas. No es venenoso.
El fósforo negro tiene un colorgris oscuro
con brillo metálico. Es escamoso como el
grafitoy, como éste, conduce la corriente y
el calor.
Oxigeno
El oxígeno es el elemento más abundante de
la corteza:50,3% en peso (incluyendo agua y
atmósfera). El O2 es la forma alotrópicamás
abundante del oxígeno. El oxígeno es incoloro,
inodoro e insípido. Enestado líquido y sólido es
azul pálido y fuertemente paramagnético. La
solubilidad en agua disminuye con el aumento
de la temperatura.
El ozono (O3) (la otra forma alotrópica del
oxígeno).Es un gas diamagnético azulado, de
olor característico (el que se percibedespués de
las tormentas con importante aparato eléctrico).
Es débilmentesoluble en agua. En estado líquido
es azul oscuro y en estado sólido esvioleta oscuro.
Azufre
El azufre es un sólido amarillo pálido, inodoro,
frágil,insoluble en agua y soluble en disulfuro de
carbono. En todos los estados, elazufre elemental
se presenta en varias formas alotrópicas o
modificaciones; éstaspresentan una multitud de
formas confusas cuyas relaciones no están
todavíacompletamente aclaradas.
La flor de azufre es un polvo fino amarillo que se
forma enlas superficies frías en contacto con vapor
de azufre. El azufre es un malconductor del calor
y de la electricidad.
Flúor
Es un gas corrosivo amarilloclaro (incoloro en finas
capas), venenoso y de olor penetrante. Es inflamable
yel fuego no hay forma de apagarse. El flúor es
el más electronegativo yreactivo de todos los
elementos. Si están finamente divididos, metales,
vidrios, cerámicas, carbonoe incluso agua y
amoníaco, arden con el flúor con llama brillante.
Consustancias orgánicas las reacciones son muy violentas.
Cloro
Es un gas amarillo-verdoso deolor asfixiante,
muy tóxico. Es muy activo y reacciona
directamente con lamayoría de los elementos
(excepto nitrógeno,oxígenoy carbono).En
algunos casos (hidrógeno)la reacción es lenta en
la oscuridad o a temperatura ambiente, pero
enpresencia de luz (reacción fotoquímica) o por
encima de 250 ºC se da de modoexplosivo. Húmedo
ataca a todos los metales (excepto tántalo
)dando cloruros. Sustituye fácilmente al hidrógeno
en las combinacioneshidrocarbonadas mediante
reacciones muy vigorosas. Es soluble en agua.
Bromo
Es el único no metal líquido. De color rojo oscuro,
pesado(cinco veces más denso que el aire), fluido,
que se volatiliza fácilmente atemperatura ambiente,
produciendo un vapor rojo de olor muy desagradable,
queasemeja al cloro.
En estado sólido es rojo oscuro, y al disminuir la
temperatura su color se va aclarando hasta anaranjado
rojizo. En estado gaseosoes color naranja a marrón
oscuro, persistiendo las moléculas diatómicas
hastalos 1500ºC.
Yodo
Es un sólido cristalino,escamoso, de color
negro violeta, de brillo metálico, que sublima a
temperaturaambiente a gas azul-violeta con olor
irritante. El iodo presenta algunaspropiedades
metálicas. Forma compuestos con muchos
elementos (excepto gasesnobles, azufrey selenio),
aunque es menos activo que los otros halógenos,
que lo desplazan de los yoduros. Es un oxidante
moderado. En estado líquido esmarrón.
ELECTRONEGATIVIDAD, VALENCIA, TIPO DE
ENLACE DE LOS NO METALES EN FUNCIÓN
DE SU CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Configuración electrónica:
7º nivel
6º nivel
5º nivel
4º nivel
3º nivel
2º nivel
1º nivel
Cloro: con 17 electrones,
17Cl: 1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p5
1º nivel: 2 electrones 2º nivel: 8 electrones
3º nivel: 7 electrones
COMPUESTOS MÁS IMPORTANTES
Algunas reacciones de los metales del grupo IA
El sodio (Na):
Oxido de Sodio:
4Na + O2 2Na2O
Peróxido de sodio:
2Na(s) + O2 (g) Na2O2(s)
Hidruro de sodio:
2Na + H2 2NaH
Cloruro de sodio:
2Na + Cl2 2NaCl
Sulfuro sódico:
2Na + S Na2S
Fosfuro de sodio:
12Na + P4 4Na3P
Hidróxido de sodio:
2Na + 2H2O 2NaOH + H2
Amina de sodio:
2Na + 2NH3 2NaNH2 + H2
Compuestos más importantes:
Sodio (Na):
NaCl La sal común (alimentación, y
materia prima paraobtener sodio y
el resto de los compuestos), el Na2CO3(base),
NaHCO3 (base, alimentación), NaOH (base
fuerte, usada en lafabricación de jabones,
colorantes, celulosa, detergentes, seda artificial,
industria del vidrio), nitrato de chile (NaNO3)
(fertilizantenitrogenado), fosfatos di y trisódicos
(Na2HPO4 y Na3PO4)(abonos), tiosulfato sódico
(Na2S2O3.5H2O)(blanqueante, fotografía) y bórax
(Na2B4O7.10H2O)(blanqueo), peróxido de sodio
(Na2O2) (detergentes yblanqueantes).
Litio (Li):
LiCl (cloruro de litio) es uno delos materiales más
higroscópicos que se conocen y, junto con el LiBr
(bromurode litio) se emplea en sistemas de aire
acondicionado y desecadores, el LiI(yoduro de litio)
preparado con 6-Li sirve de detector de neutrones
según lareacción anterior, el estearato de litio se
emplea como lubricante de altastemperaturas.el
peróxido se emplea en aparatos respiratorios de
ciclocerrado.el LiH (hidruro de litio) es un combustible
de cohetes el LiClO4 (percloratode litio) se
emplea como portador de oxígenoen combustibles
de cohetes, el LiOH (hidróxido de litio) es una base
fuerte quese utiliza para purificar el aire (submarinos,
etc.) ya que 1 gramo de hidróxidoconsume 0,51
gramos de CO2, el LiCO3 (carbonato de litio)en
pequeñas dosis parece efectivo en el tratamiento de
síndromesmaniacodepresivos.
Potasio (K):
KNO3 (nitrato de sodio) comúnmente conocido
comonitro o salitre, se usa como fertilizante potásico
y nitrogenado. Entre susaplicaciones (en muchas
puede ser sustituido por sodio más barato y abundante).
Algunas reacciones de los metales del grupo IIA:
Compuestos más importantes:
Calcio (Ca):
CaO, (óxido de calcio) la cal,utilizada en la obtención
del cemento, metalurgia (hierro), Ca(OH)2(hidróxido
de calcio) cal apagada, base barata con incontables
usos, CaSO4(sulfato de calcio) Su forma hidratada
(CaSO4.2H2O) es elyeso, el carburo de calcio CaC2
empleado en la fabricación deacetileno, cianamida y
desazufrado del acero;la cianamida Ca(CN)2 es un
fertilizante nitrogenado, CaCl2 clorurode calcio, muy
higroscópico, empleado en mezclas frigoríficas,
desecante,aglomerante de arena, aditivo de cemento,
hidroxiapatito (Ca5(PO4)3OH,esmalte de los dientes.
Magnesio:
Mg(OH)2 (hidróxido de magnesio) leche demagnesia;
antiácido estomacal y laxante, MgCl2 (cloruro de
magnesio)fundido, es buen conductor de la corriente,
MgSO4 (sulfato demagnesio) se emplea en la industria
textil, papelera, como laxante y como abono.MgCO3
(magnesita) obtención de aislantes, vidrios y cerámica.
Bario:
BaSO4 (Sulfato de Bario) Se usa en pinturas(blanco
permanente), goma, papel, cristal. Perforación
de petróleo y gas,Ba(OH)2 (hidróxido de Bario)
y BaO2 (óxido de bario) seemplea como desecante.
El BaCO3 (carbonato de bario) se ha usado
El BaCO3 (carbonato de bario) se ha usado
como raticida El nitrato yclorato para dar
colores en pirotecnia.
Metalurgia
La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la
extracciónde metales de sus fuentes naturales y
de su preparación para usos prácticos.La metalurgia
implica varios pasos: (1) explotación de las minas,
(2)concentración de la mena o su preparación por
algún otro medio para eltratamiento posterior, (3)
reducción del mineral para obtener el metal libre,(4)
refinación o purificación del metal, y (5) mezclado
del metal con otroselementos para modificar sus
propiedades. Este último proceso produce una
aleación, es decir, un material metálico
compuesto de dos o más elementos.
Después de su extracción de la mina, por lo
general la menase tritura, se muele y luego
se trata para concentrar el metal deseado. La
etapade concentración se apoya en las
diferencias de propiedades entre el mineral y
el material indeseable que lo acompaña, que
se conoce como ganga. Por ejemplo,los
gambusinos buscadores de oro usaban una
batea para enjuagar la ganga ysepararla de las
pepitas de oro, más densas. Otro ejemplo es la
magnetita, unmineral de hierro que se puede
concentrar moviendo la mena finamente molida
sobre una banda transportadora que pasa por
una serie de imanes. El mineral dehierro es
magnético (es atraído por un imán), no así la
ganga que lo acompaña.
Pirometalurgia del hierro
La operación pirometalúrgica más importante
es la reduccióndel hierro. Éste está presente
en muchos minerales, pero las fuentes más
importantes son los minerales de óxidos de
hierro: hematita, Fe203.y magnetita, Fe304.
La reducción de estos óxidos selleva a cabo
en un alto horno como el que se ilustra en la
figura. Un alto hornoes un reactor químico muy
grande capaz de operar de manera continua.
Los hornosmayores tienen más de 60 m de
altura y 14 m de ancho. Cuando operan a plena
capacidad, producen hasta 10,000 toneladas de
hierro al día. El alto horno secarga por la parte
superior con una mezcla de mena de hierro, coque
y piedracaliza. El coque es hulla que ha sido
calentada en ausencia de aire paraexpulsar los
componentes volátiles; contiene alrededor de 85 a
90 por ciento decarbono. El coque sirve como
combustible que produce calor a medida que se
quemaen la parte baja del horno. Este material es
también la fuente de los gasesreductores CO y H2.
La piedra caliza, CaC03, sirve comofuente del
óxido básico en la formación de escoria. El aire,
que entra en elalto horno por el fondo después de
un precalentamiento, es también una materiaprima
importante, pues se requiere para la combustión del
coque. La producciónde 1 Kg. de hierro crudo, llamado
hierro de arrabio, requiere aproximadamente 2Kg.
de mena, 1 Kg. de coque, 0.3 Kg. de piedra
caliza y 1.5 Kg. de aire.
En el horno, el oxígeno reacciona con el carbono
del coquepara formar monóxido de carbono:
2C(s) + 02 (g) 2CO(g) DH = -221 kJ
El vapor de agua presente en el aire también
reacciona conel carbono:
C(s) + H2O(g)CO(g) + H2(g) DH = + 131 kJ
Observe que la reacción del coque con el oxígeno
es exotérmicay suministra calor para la operación
del horno, pero su reacción con el vaporde agua es
endotérmica. Por tanto, la adición de vapor de agua
al aireproporciona un medio para controlar la
temperatura del horno.
En la parte superior del horno, la piedra caliza se
calcina(Ec. 22.98). También en este caso el CO
y el H2 reducen los óxidosde hierro. Por ejemplo,
las reacciones importantes del Fe304son:
Fe304(S) + 4CO(g)3Fe(S) + 4CO2 (g) DH = -15 KJ
Fe304(S) + 4H2(g) 3Fe(S)+ 4H20(g) DH = + 150 KJ
También se produce la reducción de otros elementos
presentes en la mena en las partes más calientes
del horno, donde el carbono esel agente reductor principal.
El hierro fundido se recoge en la base del horno,
como semuestra en la figura. Por arriba de él hay
una capa de escoria fundida formadapor la reacción
del Ca0 con el silice presente en la mena, La capa
de escoriasobre el hierro fundido ayuda a protegerlo
de la reacción con el aire queentra. Periódicamente,
el horno se vacía para drenar la escoria y el
hierrofundido. El hierro producido en el horno se
puede moldear en lingotes sólidos;sin embargo,
casi todo se usa directamente para fabricar acero.
Para este propósito,el hierro se transporta,
todavía líquido, al taller siderúrgico.
La clasificación más fundamental de
los elementos químicoses en metales y
no metales.
La mayoria de los elementos se clasifican
como metales. Losmetales se encuentran del
lado izquierdo y al centro de la tabla periodica.
Losno metales, que son relativamente pocos,
se encuentran el extremo superiorderecho de dicha tabla.
Los metales se caracterizan por ser buenos
conductores delcalor y la electricidad, mientras
los no metales carecen de esa propiedad. Los
no metales forman enlacen covalentes, con
excepción del hidrógeno que puedeformar
enlace covalente e iónico.
Una parte importante de la metalurgia es la
producción demetales a partir de sus memas,
y consta de tres etapas tratamiento preliminar,
reducción y refinado.
Los elementos químicos metálicos y no metálicos
son sonlos constituyentes básicos de la vida del humano.
Los cuatro elementos químicos más abundantes
en el cuerpohumano son el oxígeno, el carbono,
el hidrógeno y el nitrógeno, queconstituyen el
96% de la masa corporal. Además del calcio
(2%), elementos comoel fósforo, el potasio, el
azufre y el sodio, entre otros, forman también
parte del cuerpo humano, aunque en un
porcentaje mucho menor.
La corteza terrestre está compuesta en su
mayor parte por oxígenoy silicio. Estos
elementos químicos, junto con el aluminio,
el hierro, elcalcio, el sodio, el potasio y el
magnesio, constituyen el 98,5% de la corteza
terrestre.
Elemento: son sustanciasque no pueden
descomponerse en otras más simples mediante
cambios químicos.
Metales: Elementos que son buenos conductores
delcalor y la electricidad y tienen tendencia a
formar iones positivos en loscompuestos iónicos.
No metales: Elemento que por lo general son
malosconductores del calor y la electricidad.
Compuesto: son sustancias puras formadas
por dos o máselementos diferentes,
combinados en una proporción constante.
Enlace químico: Es la fuerza de unión que
existeentre dos átomos, para adquirir la
configuración electrónica estable de los
gases inertes y formar moléculas estables.
átomos comparten dos electrones.
Electronegatividad: capacidad de un
átomo para atraerelectrones hacia él en
enlace químico.
Regla de Hund: la distribución más
estable deelectrones en los subniveles
es la que corresponde al máximo número
de espinesparalelos.
Valencia: la valencia de un elemento
es el número deátomos de hidrógeno
que pueden combinarse o ser sustituidos,
por un átomo dedicho elemento.
Configuración electrónica: Es la forma
como estándistribuidos los electrones entre
los distintos orbítales atómicos.Ibañez Pérez Jesús Oswaldo 18.353.376
Electrónica del Estado Sólido
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