La Química del Amor

La química del amor

- Isidora

La produccion comercial en gran escala de compuestos nitrogenados, otro ejemplo práctico del Principio de Le Chatelier.
El paso de conversión del nitrogeno inerte (de la atmósfera) en importantes compuestos comerciales (por ejemplo, fertilizantes y explosivos), se expresa con la reaccion:

Imagen 1. Reacción química de formación de amoníaco.

En las industrias, para predecir las condiciones que optimizan la prodccion de NH3 se utiliza el principio de Le Chatelier, con el fin de producir la mayor cantidad de producto posible, ejerciendo un cierto control sobre la reacción mostrada anteriormente. Este sugiere que cuanto más baja sea la temperatura, más favorecida quedará, en el equilibrio, la producción de este producto. Simultáneamente, segun el mismo principio, es conveniente usar alta presion en el sistema, para aumentar la concentracion producida.
En la práctica, a bajas temperaturas se obtiene un estado de equilibrio conveniente, pero no se logra la velocidad deseada. Por ello, la solución utilizada industrialmente consiste en emplear una temperatura intermedia, alrededor de 500°C (aunque el éxito del proceso depende del empleo de un catalizador adecuado para obtener una reacción de la velocidad conveniente para la industria). Además, con la presión se ocupa una solución de similares características. La construccion de aparatos para trabajar a altas presiones es muy costosa, por lo que se utilizan presiones de aproximadamente 350 atmosferas.
En estas condiciones de presion y temperatura (500°C y 350 atm, respectivamente), solo el 30% de los reactivos se transforman en NH3. Luego, el producto formado es separado de la mezcla, licuándolo, de modo que N2 y H2 permanezcan siendo gases y puedan re-circularse (como lo muestra la imagen 2) hasta que el porcentaje de conversión de amoníaco llegue a ser elevado y, por tanto, la industria se vea favorecida.

Imagen 2. Sistema de funcionamiento máquinas industriales productoras de amoníaco.

Ensayo PSU Ciencias 2010

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- Isidora

Equilibrio Dinámico

El equilibrio dinámico es un equilibrio químico, que ocurre cuando dos procesos reversibles suceden a la misma velocidad en ambos sentidos. De esta manera, las concentraciones de los reactivos y productos se mantienen constantes en el tiempo.

Un ejemplo sería colocar un vaso con agua en un espacio pequeño y cerrado. El agua comienza a evaporarse saturando el aire del ambiente. Una vez que esto ocurre, el vapor de agua choca contra las paredes del vaso y se condensa, al mismo tiempo que continúa la evaporación del agua.

Se puede decir que se mantiene un equilibrio dinámico entre los procesos de evaporación y condensación, ya que ambos se mantienen a la misma velocidad y ocurren al mismo tiempo, manteniéndose constante la concentración de ambas sustancias.

Se denominan reacción directa e indirecta a las reacciones que intervienen en el equilibrio dinámico. Cuando la concentración de los productos alcanza cierto punto, comienza a producirse la reacción inversa, hasta alcanzarse el equilibrio químico. Por lo tanto, la reacción directa se sustenta gracias a la reacción inversa, y viceversa.

El estado de equilibrio se indica colocando dos flechas, una en cada sentido, en la ecuación de la reacción.

Video explicativo del equilibrio químico:

- Isidora

PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS

Son propiedades que presentan los elementos químicos y que se repiten secuencialmente en la tabla periódica. Esta periodicidad, nos permite deducir las características y el comportamiento químico de un elemento determinado, solo conociendo su posición en la tabla o bien, su número atómico.

Existen dos conceptos fundamentales para comprender las propiedades de los elementos químicos. El primero de ellos es la carga nuclear efectiva, que es la fuerza de atracción ejercida por el núcleo sobre el electrón más alejado de este. El segundo es el efecto pantalla o apantallamiento, el cual produce fuerzas de repulsión entre los electrones de menor nivel y los de mayor nivel, generando que disminuya la probabilidad de encontrar los electrones de alto nivel en otros inferiores. El efecto pantalla actúa en cada nivel energético de un átomo, siendo más fuerte en elementos con mayor número de electrones. También se dice que este efecto es la interferencia que existe entre la última orbita de un átomo y su núcleo, es decir que reduce la atracción nuclear sobre el electrón más alejado.

Existe un gran número de propiedades periódicas. Entre las más importantes se destacan:

Radio Atómico:

Es la distancia más probable que existe entre el electrón más externo y el núcleo de un átomo. También es definido como la mitad de la distancia entre dos núcleos de un mismo elemento unidos entre sí. Estas distancias se determinan experimentalmente mediante técnicas de difracción de rayos X.

El radio atómico aumenta al descender en un grupo y disminuye a lo largo de un periodo en la Tabla periódica. Lo primero ocurre porque al bajar en un grupo, los electrones ocupan orbitales que están cada vez más lejanos del núcleo, por lo que la atracción del núcleo sobre los electrones más externos se debilita, y en consecuencia, aumenta el radio atómico.

Lo segundo se explica debido a que el siguiente electrón que le corresponde a cada átomo, se encuentra en el mismo nivel energético, por lo que la carga nuclear efectiva es mayor. El electrón más externo experimenta una mayor atracción nuclear y se produce, en consecuencia, la contracción del radio a medida que crece el número atómico en un mismo período.

Radio iónico:

Es el radio que posee un catión o un anión de un elemento determinado.

Cuando un átomo neutro se convierte en un ion, se espera que se produzca un cambio en el tamaño. Por un lado, si un átomo pierde uno o más electrones, formando un ion positivo o catión, su radio será menor que el radio atómico. Esto se debe a que en la formación de un catión, un átomo neutro pierde electrones en la capa más externa, lo que reduce la repulsión entre los electrones (apantallamiento) y, a su vez, genera que estos sean atraídos con mayor fuerza por el núcleo (carga nuclear efectiva), provocando que se contraiga la nube electrónica y así su radio.

Por otro lado, si un átomo forma un ion negativo o anión al ganar uno o más electrones, su radio iónico será mayor que su radio atómico. Esto se debe a que estos electrones adicionales provocan que aumenten las fuerzas de repulsión existentes entre ellos (apantallamiento), lo que hace que se extienda la nube electrónica y, por ende, que su radio aumente.

En general, entre iones con igual número de electrones (isoelectrónicos), tiene mayor radio el de menor Z, pues la carga nuclear efectiva actúa atrayendo los electrones externos con mayor fuerza hacia sí, ocasionando la contracción de la nube electrónica.

El radio iónico, al igual que el radio atómico, aumenta a lo largo de un grupo y disminuye hacia la derecha en un período. 

Energía de ionización (EI):

También conocida como potencial de ionización, es la energía necesaria para separar un electrón ubicado en el nivel de más alta energía de un átomo neutro, gaseoso y aislado en su estado basal o fundamental, que es un estado de alta estabilidad. Como resultado de esto, se origina un catión gaseoso.

La energía de ionización es un valor positivo, debido a que siempre se requiere entregar energía para extraer los electrones de un átomo (proceso endotérmico), su unidad es el KJ/mol y se puede expresar como:

Debido a que generalmente se pueden extraer más de un electrón de los átomos, existen una serie de energías de ionización, las que se identifican como E₁ para el primer electrón que ese extrae, E₂ para el segundo y así sucesivamente.

Algunas características de la EI son:

-   Su valor aumenta al extraer electrones sucesivos.

-   El incremento entre la primera y la segunda energía de ionización es grande.

-  Se requiere más energía para remover un electrón de un catión que de un átomo neutro.

-  En general, la remoción de un electrón de un átomo al cual se le han quitado todos sus electrones de valencia, requiere de la absorción de una gran cantidad de energía porque este electrón comparte la configuración electrónica de un gas noble.

En la tabla periódica, la energía de ionización disminuye al descender por un grupo. Esto ocurre porque a medida que aumenta el número atómico de un elemento, disminuye la atracción del núcleo sobre los electrones más externos, debido al efecto pantalla, lo que ocasiona que la energía necesaria para separar a estos electrones sea menor. En tanto, la energía de ionización aumenta al avanzar en un período, ya que, producto del incremento de la carga nuclear efectiva y de la consecuente disminución del tamaño atómico, el electrón externo está cada vez más cercano al núcleo, por lo que la energía necesaria para extraer un electrón será mayor.

Afinidad electrónica o electroafinidad (EA):

Es la energía asociada al proceso de adición de un electrón a un átomo neutro, gaseoso, y aislado, que da lugar a la formación de un anión gaseoso. Una representación general de este proceso es la siguiente:

Donde X es el átomo neutro, X^- es el anión y AE la energía liberada, cuya unidad es KJ/mol.

Por convención, se sabe que si en la adición de un electrón se absorbe energía, la EA se considera positiva (proceso endotérmico), y si se libera, la EA se considera negativa (proceso exotérmico). Además, hay que considerar que mientras más energía libera un átomo al captar un electrón, más estable será el anión que se forma.

Una característica importante de esta propiedad, es que mientras más negativa, mayor será la tendencia del átomo a aceptar un electrón. Los elementos que presentan energías más negativas son los halógenos (grupo 17), debido a que son los elementos que tienen mayor carga nuclear efectiva y radio atómico más pequeño.

Por otro lado, los gases nobles son los que presentan el mayor valor positivo de la EA, lo que significa que hay que entregar gran cantidad de energía para lograr que un átomo de gas noble capture un electrón, debido a la alta estabilidad de su configuración electrónica.

En general, en la tabla periódica, la EA aumenta al subir en un grupo y al desplazarse hacia la derecha en un período, es decir que los valores de la EA se hacen más negativos.

Electronegatividad (EN):

Es la capacidad que tiene un átomo de un elemento para atraer, en un enlace químico covalente, a los electrones compartidos con otros átomos.

El químico Linus Pauling fue el primero en desarrollar una escala numérica para la electronegatividad de los elementos químicos, la escala de Pauling. Esta escala se expresa en unidades arbitrarias: al elemento más electronegativo se le asigna el valor 4,0, que corresponde al flúor (F), mientras que el elemento menos electronegativo, el francio (Fr), tiene un valor de 0,7.

En la Tabla de los elementos, la electronegatividad aumenta dentro de un período con el número atómico, y disminuye a lo largo de un grupo a medida que aumenta el número atómico. Esto se explica debido a que a lo largo de un período disminuye el  radio atómico y la carga nuclear efectiva aumenta; por lo tanto, aumenta la capacidad del átomo para atraer electrones compartidos con otro átomo. En un grupo, en cambio, a medida que se desciende, el radio atómico aumenta, la carga nuclear efectiva disminuye y, en consecuencia, también disminuye la electronegatividad.

Por esto, los elementos más electronegativos son los Halógenos, que pertenecen al grupo 17, y los menos electronegativos son el cesio y el francio.

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