De la química inorgánica para tontos
Por Michael Matson, Alvin W. Orbaek
La química inorgánica se ocupa de todos los elementos de la tabla periódica. Por esta razón es extremadamente útil para entender el mundo que te rodea, desde la química del espacio interestelar, los planetas y nuestro propio entorno aquí en el planeta tierra, hasta la forma en que Silicon Valley utiliza el silicio para impulsar la era de la información. Todo esto se puede entender y explicar utilizando los conceptos que ofrece el estudio de la química inorgánica.
Indice
La tabla periódica
La mesa es como un estante que se utiliza para organizar todos los elementos que se encuentran en la naturaleza, y algunos que están hechos por el hombre. Es útil porque ordena cada elemento en una caja, como por ejemplo, como se ordena la cocina en especias calientes, especias dulces, azúcar y harina. Así que cuando quiera cocinar una tormenta, ya sabe dónde conseguir los ingredientes necesarios; puede pensar en la tabla periódica como la lista de ingredientes de la naturaleza. Conocer las propiedades de cada ingrediente y saber qué sucede cuando se mezclan a ciertas concentraciones a temperaturas y presiones específicas es lo que hace un químico inorgánico.
La tabla periódica puede utilizarse para determinar las siguientes propiedades de los materiales:
- Número atómico (Z): Todos los elementos están organizados de acuerdo a su número atómico y ordenados en orden desde números atómicos bajos hasta números atómicos altos. El número atómico en sí mismo también puede decirte mucho sobre el elemento; puede ayudarte a entender la valencia, el número de coordinación y la posición que esperas encontrar en la tabla periódica. Los números atómicos van del 1 al 118. El número atómico representa el número de protones que existen en el núcleo.
- Número de protones: El protón forma parte del núcleo. Es una partícula con carga positiva que es contrarrestada por electrones, pero los electrones orbitan alrededor del exterior. El número de protones puede determinar cuántos electrones pueden orbitar alrededor del átomo; esto, a su vez, afecta la reactividad y la química del átomo.
- Reactividad: La reactividad de los elementos aumenta pasando de izquierda a derecha en la tabla periódica. Cada elemento que va de izquierda a derecha tiende a ser más reactivo. Pero, en el extremo derecho están los gases nobles, y son casi completamente inertes. La reactividad aumenta al bajar la tabla periódica, por ejemplo, el rubidio es mucho más reactivo que el sodio.
- Electronegatividad: Esta propiedad determina cuánto atrae el elemento a los electrones. Esta es también una buena medida de reactividad, porque cuanto más atrae un elemento a los electrones, más reactivo es. El elemento más electronegativo de la mesa es el flúor. La electronegatividad aumenta yendo de izquierda a derecha, y disminuye bajando por la mesa.
- Misa: A medida que se va de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, siempre se van añadiendo más protones en el átomo. Esto tiene la tendencia general de hacer que los elementos posteriores sean más pesados que los elementos anteriores. Pero usted debe darse cuenta de que esto es sólo una tendencia general, y que hay algunas excepciones a la regla.
- Densidad: A medida que se desciende en la tabla, la densidad del átomo aumenta; a medida que se va de izquierda a derecha, la densidad también aumenta.
Moviéndose de izquierda a derecha a través de la tabla periódica que se muestra en la siguiente figura, el tamaño atómico disminuye debido a la carga nuclear adicional debido a la adición de neutrones y protones en el núcleo. Esto hace que los electrones orbitales estén más estrechamente ligados, y la energía de ionización aumenta debido a ello.
La tabla periódica.
Maravillas modernas gracias a la química inorgánica
Desde los albores de la humanidad, los materiales han desempeñado un papel fundamental en nuestra existencia. La capacidad de hacer que la vivienda se defienda de las inclemencias del tiempo y de las condiciones de humedad, por ejemplo, sin duda facilitó mucho la vida, pero hoy en día este tipo de apoyos elementales se consideran como elementos básicos de nuestra vida cotidiana.
Los materiales que utilizamos hoy en día son muy diferentes de los que utilizábamos en el pasado. Tres elementos -carbono, aluminio y silicio- han ayudado al proceso de modernización. Hay muchos más elementos que han jugado su papel, por supuesto, pero estos tres son indiscutibles.
El carbono es un elemento versátil y puede mezclarse con muchos otros materiales para hacer compuestos y aleaciones. El carbono es uno de los elementos más prolíficos de la tabla periódica; es la materia de la vida, la columna vertebral del ADN, y una piedra angular de la sociedad moderna. Todos los grandes edificios que ves a tu alrededor en las ciudades modernas son posibles gracias al carbono. El metal reforzado y aleado con carbono es a menudo fuerte y ligero, lo que hace que sea más fácil de usar y más duradero. Los grafeno, fullerenos y nanotubos de carbono son muy prometedores para su uso futuro como aditivos para reforzar los materiales, haciéndolos aún más resistentes al desgaste y más duraderos, a la vez que reducen el peso. A medida que aprenda más acerca de este elemento, puede estar seguro de que lo encontrará en más y más aparatos cotidianos a medida que avanzamos en el tiempo.
El aluminio, por otro lado, es un material bastante nuevo. No fue hasta hace muy poco que el aluminio pudo ser aislado de su forma de óxido más estable y común. Pero desde entonces se ha convertido en el material de partida para una serie de aplicaciones. En términos de vuelos espaciales, hay un dicho: Si quieres hacer una nave espacial puedes elegir el material que quieras, siempre y cuando sea de aluminio. Ha sido probado hasta tal punto que es difícil de reemplazar en esta etapa, pero eventualmente será reemplazado por materiales compuestos que están hechos de carbono. Pero mientras tanto no le tomaría mucho tiempo encontrar ejemplos de aluminio en su experiencia diaria – se puede encontrar en trenes, aviones y automóviles, y en cocinas, loncheras y todo tipo de electrodomésticos porque es un material duradero, fuerte, ligero y resistente a la intemperie.
El silicio es el elemento más estudiado del planeta; hay una industria multimillonaria que se confirma por las propiedades de este elemento. Es un semiconductor que tiene el potencial, cuando es dopado, de volverse más conductor, o menos conductor. Esta propiedad le da al silicio la capacidad de ser usado en materiales y dispositivos electrónicos para hacer 1s y 0s que traducen el código de la computadora en impulsos eléctricos. Junto con el hecho de que el silicio es uno de los elementos más abundantes del planeta, está destinado a ser utilizado en un futuro previsible, tal vez nunca pase de moda. La era de la tecnología de la información podría haber sido posible sin el silicio, pero puede haber llevado mucho más tiempo y no ser tan prominente hoy en día como lo es.
El descubrimiento del oxígeno
El oxígeno fue descubierto por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele en 1772. Descubrió que al calentar el óxido mercúrico, se formó un gas (más tarde identificado como oxígeno). Scheele llamó al gas «aire de fuego» porque producía chispas al entrar en contacto con el polvo de carbón caliente.
Esta historia comienza con Platón y sus ideas sobre la naturaleza de la materia. Platón era un filósofo griego que sugirió que toda la materia estaba hecha de cuatro elementos esenciales – fuego, aire, tierra y agua. Esta cruda idea duró varios siglos, casi incontestable, y dio origen a la teoría del flogisto, que en griego antiguo significaba «quemarse».
El precepto principal de la teoría de Phlogiston era que el fuego era en sí mismo un elemento, así que en el momento en que algo ardía, las llamas eran consideradas evidencia de que el fuego (como elemento) estaba siendo separado del material. Esta era la creencia popular hasta que el experimento de Scheele llevó al químico francés Antoine-Laurent Lavoisier a probar, en 1779, que cuando se aislaba el oxígeno, el fuego podía verse como una consecuencia de una reacción química, en lugar de como un elemento de la reacción. Fue Lavoisier quien llamó al elemento oxígeno.
Al desechar la teoría de Phlogiston, Lavoisier allanó el camino para la química moderna. Eso hizo cambios dramáticos en la ciencia a partir de entonces, y se debió en gran parte al descubrimiento del oxígeno.
El descubrimiento del helio
Al ser descubierto por el astrónomo francés Pierre J. C. Janssen en 1868, se pensaba que el helio existía en el sol, pero no aquí en la tierra. Mientras observaba un eclipse solar en la India, Janssen notó una línea espectral de color amarillo brillante.
El sol brilla todos los días. Sin importar cuán al norte o al sur vivan en este planeta, el sol todavía puede alcanzarlos. El sol es una gran bola de fuego a varios millones de kilómetros de distancia. De hecho, es un enorme reactor nuclear, lleno de explosiones que hacen que la energía sea expulsada y emitida en todas las direcciones.
La luz que ustedes ven desde el sol proviene de todos los fotones que están siendo enviados al espacio desde el sol, y el color de la luz puede ser usado para determinar qué elementos están presentes gracias a nuestra comprensión de los niveles de energía de los electrones y la espectroscopia atómica. En resumen, la teoría es la siguiente: …. los electrones orbitan alrededor de un átomo que contiene tantos electrones como se permite para ese átomo.
Cada electrón tiene un cierto nivel de energía discreto, y cuando el electrón está excitado se pueden ver los niveles de energía utilizando un prisma, por ejemplo. Un prisma divide la luz blanca; la ralentiza debido a la difracción, y se puede obtener el espectro completo del arco iris a partir de la luz blanca. Pero a algunas fuentes de luz blanca les faltan algunas bandas de los colores del arco iris; esto depende de la fuente de luz. Las bandas que faltan actúan como huellas dactilares para los elementos químicos, y estas «huellas dactilares» son únicas, por lo que se pueden utilizar para identificar elementos, incluso si están muy lejos, como las estrellas y otros planetas. Fue al mirar al sol con una configuración tal que el helio fue descubierto por primera vez.
La luz del sol tenía bandas compuestas de un material desconocido, como nada que hubiera sido analizado en la tierra todavía. Se llamaba así por el sol, Helios. El descubridor Pierre J. C. Janssen tuvo que viajar a la India para hacer su observación durante un eclipse solar en 1868. Pero más tarde se descubrió que el helio está presente en la Tierra, y más tarde se descubrió entre los minerales de uranio. Esto demuestra que no tienes que ir hasta el sol para encontrar tu respuesta – probablemente ya esté aquí mismo entre nosotros. Sólo tienes que aprender a mirar de la manera correcta.
Términos Químicos Importantes
Hay muchas palabras y términos que son específicos de la química, en este caso química inorgánica. Aquí hay una lista de algunos de los términos más comunes e interesantes que necesita saber.