Átomos, tabla periódica, estados de agregación, enlaces químicos y unidades del SI
Reflexiona sobre lo que ya sabes del átomo, la radiación, la tabla periódica y los enlaces químicos antes de estudiar el contenido.
Protones, neutrones, electrones, partículas fundamentales y las contribuciones históricas de Thomson, Millikan, Rutherford y Chadwick.
Organización de la tabla periódica: grupos, periodos, metales, no-metales, metaloides y familias químicas.
Sustancias, mezclas homogéneas y heterogéneas, elementos y compuestos, propiedades físicas y químicas.
Enlace iónico, enlace covalente, electronegatividad y resonancia.
Unidades base del Sistema Internacional, prefijos, densidad y escalas de temperatura.
Caso integrador: el óxido nítrico como mensajero interno del rendimiento deportivo.
Analiza a partir de sus propiedades fisicoquímicas la clasificación estructural de la materia.
👉🏻 Se recomienda apoyarse en el Capítulo 2 (“Átomos, moléculas y iones”) del libro Química de Raymond Chang para el desarrollo de estas actividades.
Las actividades preliminares tienen como finalidad llevarlo a la reflexión sobre el objeto de estudio a abordar. Toma como punto de partida el reconocer lo que se sabe y lo que se ignora sobre el tema, sin la necesidad de consultar referencias bibliográficas.
¿Qué entiende usted por el concepto de átomo y cómo se relaciona esto con los elementos?
¿Cuántos tipos de radiación existen? ¿De dónde provienen?
Mencione a grandes rasgos cómo se organiza la tabla periódica de los elementos químicos, y mencione qué es un grupo, familia, periodo y los diferentes números encontrados.
¿Cuál es la diferencia entre una mezcla y una sustancia?
¿Puede una mezcla homogénea ser catalogada como mezcla pura? Justifique.
¿Cuáles son los diferentes enlaces químicos que existen?
¿Por qué algunos enlaces son más débiles que otros?
¿Qué medidas conoce para representar: Masa, Longitud, Tiempo, Temperatura, Peso, Fuerza, Energía y Presión? ¿Cuáles corresponden al Sistema Internacional de Unidades?
Para los cálculos que involucran temperatura, ¿por qué es necesario utilizar la escala de Kelvin?
¿Por qué es necesario realizar la conversión de unidades cuando se utilizan constantes?
Un átomo consiste de un núcleo central que contiene protones y neutrones, con los electrones moviéndose alrededor de este. Los protones están cargados positivamente, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen carga negativa. Los protones y neutrones tienen virtualmente la misma masa, que es aproximadamente 1840 veces mayor que la del electrón.
👉🏻 Para el desarrollo de estas actividades se recomienda leer el Capítulo 2.2 “Estructura del átomo” del libro Química de Raymond Chang. 👈🏻
Defina los siguientes términos: a) Partícula α, b) Partícula β, c) Rayos ɣ y d) Rayos X.
Nombre los tipos de radiación que son emitidas por los elementos radioactivos.
Compare las propiedades de lo siguiente:
| Propiedad | Partículas α | Rayos Catódicos | Protones | Neutrones | Electrones |
|---|
¿Qué se entiende por el término “Partícula fundamental”?
Describa las contribuciones al entendimiento de la estructura atómica de los siguientes científicos: a) J.J. Thomson, b) R. Millikan, c) Ernest Rutherford, d) James Chadwick.
Describa la base experimental para creer que el núcleo ocupa solo una fracción muy pequeña del volumen atómico.
El diámetro de un átomo de Helio es aproximadamente 1 x 10² pm. Suponga que se alinean átomos de Helio uno tras otro haciendo contacto entre ellos. ¿Aproximadamente cuántos átomos se necesitarían para hacer una línea de 1 cm?
El radio de un átomo es aproximadamente 10,000 veces más grande que su núcleo. Si un átomo fuera magnificado de tal forma que el radio de su núcleo fuera de 2 cm (aproximadamente el tamaño de una canica), ¿cuál sería el radio atómico en millas? (1 mi = 1609 m)
Los elementos están agrupados en una manera sistemática de acuerdo a sus propiedades físicas y químicas en la tabla periódica. Las filas horizontales son conocidas como periodos, mientras que las columnas son conocidas como grupos o familias. El sistema de numeración de la IUPAC establece las columnas de la 1 al 18. Muchos grupos son conocidos por sus nombres históricos: Grupo 1 (Metales alcalinos), Grupo 2 (Metales alcalino-térreos), Grupo 17 (Halógenos) y Grupo 18 (Gases nobles).
👉🏻 Para el desarrollo de estas actividades se recomienda leer el Capítulo 2.4 “La tabla periódica” del libro Química de Raymond Chang. 👈🏻
¿Qué es la tabla periódica y cuál es su importancia en el estudio de la química?
Menciona dos diferencias entre los metales y los no-metales.
Escribe los nombres y símbolos de cuatro elementos de cada una de las siguientes categorías: (a) no-metales, (b) metales y (c) metaloides.
Define con dos ejemplos los siguientes términos: (a) metales alcalinos, (b) metales alcalino-térreos, (c) halógenos y (d) gases nobles.
Los elementos cuyo nombre termina en “-io” son usualmente metales; el sodio es un ejemplo. Identifique un no-metal cuyo nombre también termine en “-io”.
Describa los cambios en las propiedades (desde metales a no-metales, o desde no-metales a metales) conforme nos movemos: (a) hacia abajo en un grupo y (b) de izquierda a derecha en un mismo periodo.
Consulte la lectura adicional y encuentre (a) dos metales menos densos que el agua, (b) dos metales más densos que el mercurio, (c) el elemento metálico más denso conocido, y (d) el elemento no-metálico más denso conocido.
Agrupe los siguientes elementos en parejas donde usted esperaría que exhibieran propiedades químicas similares: K, F, P, Na, Cl y N.
La química es el estudio de la materia y sus cambios, mientras que la física es el estudio de la energía y sus cambios. Las sustancias que conforman a la materia tienen propiedades físicas únicas que pueden ser observadas sin cambiar su identidad, y propiedades químicas también únicas que, cuando son demostradas, ocasionan un cambio en la identidad de estas. Las mezclas, ya sean homo- o heterogéneas, pueden ser separadas en sus componentes puros por medios físicos.
Las sustancias más simples en la química son los elementos. Los compuestos están formados por la combinación química de átomos de diferentes elementos en proporciones fijas.
De un ejemplo para cada uno de los siguientes términos: (a) materia, (b) sustancia y (c) mezcla.
De un ejemplo de una mezcla heterogénea y otro de una mezcla homogénea.
De un ejemplo de un elemento y de un compuesto. ¿En qué difieren los elementos y los compuestos?
¿Cuál es el número total de elementos conocidos?
¿A partir de cuál elemento los elementos comienzan a presentar radioactividad?
¿Cuáles son las diferencias entre los tres principales estados de la materia?
¿Cómo se llama el elemento 0 (cero) de la tabla periódica y por qué ya no se incluye?
Usando ejemplos, explique la diferencia entre una propiedad física y una propiedad química.
¿Cómo difiere una propiedad intensiva de una extensiva? ¿Cuáles de las siguientes propiedades son extensivas y cuáles intensivas: (a) longitud, (b) volumen, (c) temperatura, (d) masa?
Clasifique cada una de las siguientes sustancias como elemento o compuesto: (a) hidrógeno, (b) agua, (c) oro, (d) azúcar, (e) acero.
Clasifique cada uno de los siguientes materiales como elemento, compuesto, mezcla homogénea o mezcla heterogénea: (a) agua de pozo, (b) gas Argón, (c) sacarosa, (d) una botella de vino tinto, (e) caldo de pollo, (f) sangre capilar y (g) ozono.
De los siguientes enunciados diga si se trata de una propiedad física o química:
Lo siguiente describe un cambio físico o un cambio químico:
¿Por qué los átomos de diferentes elementos reaccionan? ¿Cuáles son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en compuestos moleculares y iónicos? ¿Qué formas asumen? Estas son algunas de las preguntas que se abordarán en esta sección, centrándonos en dos tipos de enlaces —iónico y covalente— y las fuerzas que los estabilizan.
Explique qué es un enlace iónico.
Explique cómo la energía de ionización y la afinidad electrónica determinan si los átomos se combinarán para formar compuestos iónicos.
Nombre cinco metales y cinco no-metales que es muy probable que formen compuestos iónicos. Escriba las fórmulas para los compuestos que podrían resultar de la combinación de estos metales y no-metales. Nombre también a estos compuestos.
Nombre un compuesto iónico que contenga únicamente elementos no-metálicos.
Nombre un compuesto iónico que contenga un catión poliatómico y un anión poliatómico.
Explique por qué los iones con cargas mayores a 3 son raramente encontrados en compuestos iónicos.
¿En cuál de los siguientes estados el NaCl sería conductor eléctrico: (a) sólido, (b) líquido, (c) disuelto en agua? Explique sus respuestas.
El Berilio forma un compuesto con Cloro, el cual tiene la fórmula empírica BeCl₂. ¿Cómo determinaría si se trata de un compuesto iónico? (Nota: el cloruro de berilio no es soluble en agua).
¿Cuántos pares de electrones solitarios hay en los átomos subrayados de los siguientes compuestos? (a) HBr, (b) H₂S, (c) CH₄.
Compare los enlaces sencillos, dobles y triples en una molécula y dé un ejemplo de cada uno. Para los mismos átomos enlazantes, ¿cómo cambia la longitud del enlace desde el sencillo hasta el triple?
Compare las propiedades de los compuestos iónicos y covalentes.
Defina electronegatividad y explique la diferencia entre electronegatividad y afinidad electrónica. Describa de forma general cómo la electronegatividad de los elementos cambia de acuerdo a su posición en la tabla periódica.
¿Qué es un enlace covalente polar? Nombre dos compuestos que contengan uno o más enlaces covalentes polares.
Defina longitud de enlace, resonancia y estructura de resonancia. ¿Cuáles son las reglas para escribir dichas estructuras?
¿Es posible “atrapar” una estructura resonante de un compuesto para su estudio? Explique su respuesta.
Un enlace iónico está formado por un catión A⁺ y un anión B⁻. ¿Cómo se vería afectada la energía del enlace iónico por los siguientes cambios? (a) Duplicando el radio de A⁺, (b) triplicando la carga en A⁺, (c) duplicando las cargas en A⁺ y B⁻, (d) disminuyendo el radio de A⁺ y B⁻ a la mitad de su valor original.
Para cada uno de los siguientes pares de elementos, diga si los compuestos binarios que se formarán serán iónicos o covalentes. Escriba la fórmula empírica y el nombre del compuesto: (a) I y Cl, (b) Mg y F.
Para cada uno de los siguientes pares de elementos, diga si los compuestos binarios que se formarán serán iónicos o covalentes: (a) B y F, (b) K y Br.
Clasifique los siguientes enlaces como iónicos, covalente polar o covalente neutro y diga sus razones: (a) el enlace CC en el H₃CCH₃, (b) el enlace KI en el KI, (c) el enlace NB en H₃NBCl₃ y (d) el enlace CF en CF₄.
Clasifique los siguientes enlaces como iónicos, covalente polar o covalente neutro y diga sus razones: (a) el enlace SiSi en el Cl₃SiSiCl₃, (b) el enlace SiCl en el Cl₃SiSiCl₃, (c) el enlace CaF en el CaF₂, (d) el enlace NH en el NH₃.
Liste los siguientes enlaces en orden ascendente con respecto a su carácter iónico: el enlace Litio a Flúor en el LiF, el enlace Potasio a Oxígeno en el K₂O, el enlace Nitrógeno a Nitrógeno en la N₂, el enlace Azufre a Oxígeno en el SO₂ y el enlace Cloro a Flúor en el ClF₃.
Liste los siguientes enlaces en forma ascendente de acuerdo a su carácter iónico: Cesio y Flúor, Cloro y Cloro, Bromo y Cloro, y Silicio y Carbono.
Dibuje 3 estructuras de resonancia para el ión clorato, ClO₃⁻. Muestre sus cargas formales.
Dibuje 3 estructuras de resonancia para el ácido hidrazoico, HN₃. El arreglo atómico es HNNN. Muestre sus cargas formales.
El SI establece las unidades que expresan cantidades físicas en todas las ciencias, incluyendo la física y la química.
Nombre las unidades base del SIU importantes para la química: (a) distancia, (b) volumen, (c) masa, (d) tiempo, (e) energía, (f) temperatura.
Escriba los números representados por los siguientes prefijos: (a) mega-, (b) kilo-, (c) deci-, (d) centi-, (e) mili-, (f) micro-, (g) nano-, (h) pico-, (i) femto-.
¿Cuáles unidades se utilizan normalmente para la densidad de sólidos y líquidos? ¿Y para la densidad de los gases? Explique las diferencias.
Describa las tres escalas de temperatura utilizadas a lo largo del mundo: la escala Fahrenheit, la escala Celsius y la escala Kelvin. Diga por qué la escala Kelvin se considera absoluta y por qué es necesario usar esta última en los cálculos que involucran temperatura.
El Bromo es un líquido café-rojizo. Calcule su densidad en g/mL si 586 g de la sustancia ocupan un volumen de 188 mL.
Convierta las siguientes temperaturas a Kelvin: (a) 113 ºC, el punto de ebullición del azufre, (b) 37 ºC, la temperatura normal del cuerpo humano, (c) 357 ºC, el punto de ebullición del mercurio.
Convierte las siguientes unidades: (a) 226 m a decímetros, (b) 25.4 mg a kilogramos, (c) 556 mL a litros, (d) 10.6 kg/m³ a g/cm³.
¿Cuántos minutos le toma a la luz del sol llegar a la tierra? (La distancia entre el sol y la tierra, o unidad astronómica, es de 93 millones de millas y la velocidad de la luz se asume en 3.00 x 10⁸ m/s.)
El Aluminio es un metal ligero (densidad de 2.70 g/cm³) usado en la construcción aeroespacial, líneas de transmisión de alto voltaje, latas y papeles. ¿Cuál es su densidad en kg/m³?
El óxido nítrico (NO) es una de las moléculas de señalización más importantes del cuerpo humano. A diferencia de las hormonas o los neurotransmisores clásicos, es un gas simple y altamente reactivo, conocido como gasotransmisor. El cuerpo lo produce de forma natural a partir del aminoácido L-arginina, mediante un grupo de enzimas llamadas óxido nítrico sintasas (NOS). Esta producción es fundamental para la homeostasis vascular y el rendimiento físico.
El principal estímulo para la producción de NO en el contexto deportivo es el propio ejercicio. El aumento del flujo sanguíneo durante la actividad física genera una fuerza de cizallamiento sobre las paredes internas de los vasos sanguíneos (el endotelio). Esta tensión mecánica activa la enzima eNOS (óxido nítrico sintasa endotelial) para que produzca NO:
Este NO recién formado actúa de inmediato sobre las células musculares lisas que rodean los vasos sanguíneos, provocando su relajación y, por tanto, su dilatación (vasodilatación).
Esta vasodilatación es el mecanismo central por el cual el NO impacta el rendimiento deportivo. Unos vasos sanguíneos más anchos permiten un mayor flujo de sangre hacia los músculos que trabajan. Esto se traduce en un suministro optimizado de oxígeno y nutrientes esenciales (como la glucosa y los aminoácidos) y, a su vez, en una eliminación más eficiente de los subproductos metabólicos que causan fatiga, como el lactato y el amoníaco.
Hace más de dos décadas, la comunidad científica deportiva comenzó a explorar cómo manipular esta vía para obtener una ventaja ergogénica. Se descubrió que el NO no solo mejora el transporte de oxígeno, sino que también optimiza la función mitocondrial (las centrales energéticas de la célula) y mejora la eficiencia de la contracción muscular. Desde entonces, se ha investigado su papel en la reducción de la fatiga, el aumento de la resistencia y la aceleración de la recuperación post-ejercicio.
El descubrimiento de esta vía biológica ha impulsado el desarrollo de suplementos deportivos diseñados para aumentar la producción de NO. Durante años, la L-arginina fue el precursor de elección. Sin embargo, la investigación moderna ha demostrado que la suplementación con L-citrulina es más eficaz para aumentar los niveles de L-arginina en plasma y, por ende, la síntesis de NO. La L-citrulina se convierte en L-arginina en los riñones, evitando su degradación en el hígado y garantizando una mayor disponibilidad para la producción de NO. Este efecto es lo que los atletas comúnmente denominan "el pump" o congestión muscular.
Es importante destacar que, bajo ciertas condiciones fisiológicas, el óxido nítrico (NO•) se une al residuo de Cisteína 93 de la cadena beta (Cys 93β) en la hemoglobina, la proteína encargada del transporte de oxígeno en la sangre, influyendo en su interacción con el O₂. Esta reacción produce S-nitrosocisteína en la hemoglobina.
Esta interacción, ¿es un ejemplo de regulación alostérica o modificación covalente? La respuesta es clara: es una modificación covalente. Se forma un nuevo enlace químico entre el átomo de nitrógeno del NO• y el átomo de azufre del grupo tiol de la cisteína, creando un grupo S-nitroso (S-NO). Sin embargo, esta modificación es reversible, especialmente en la desoxihemoglobina (hemoglobina sin oxígeno unido). La capacidad de la hemoglobina para unirse y liberar óxido nítrico parece estar modulada por la unión reversible de oxígeno.
Que el NO se haya convertido en un pilar de la fisiología del ejercicio es totalmente lógico. Es una molécula pequeña, de acción rápida y local, que se difunde fácilmente para satisfacer las demandas inmediatas del músculo en acción. Su capacidad para regular el flujo sanguíneo, la respiración celular y la contracción muscular lo convierte en un mediador clave del rendimiento y la adaptación al entrenamiento. Por su papel crucial en la optimización de las funciones fisiológicas durante el esfuerzo, el óxido nítrico es, sin duda, la molécula del atleta.
Instrucciones: Responde a las siguientes preguntas para demostrar tu capacidad de integrar conceptos químicos fundamentales y aplicarlos a un problema biológico real.
Ubica el nitrógeno, el oxígeno y el azufre (S) en la tabla periódica. ¿A qué grupo y periodo pertenecen? ¿Qué tienen en común los elementos del mismo grupo en términos de sus electrones de valencia?
El texto menciona que el NO• reacciona con el residuo de Cisteína 93 de la hemoglobina. El grupo funcional reactivo de la cisteína es su cadena lateral, que contiene un grupo tiol (-SH).
Paso 1 — Identificar los reactivos: Óxido Nítrico: N=O | Cadena lateral de Cisteína: -CH₂-SH
Paso 2 — Razonar el sitio de unión: observando las estructuras, ¿qué átomo en la cadena lateral de la cisteína es el candidato más probable para reaccionar con el átomo de nitrógeno del óxido nítrico? Justifica tu respuesta considerando la presencia de pares de electrones no enlazantes y la reactividad típica de los grupos funcionales.
Paso 3 — Determinar el tipo de enlace: utiliza la tabla de electronegatividades de Pauling para analizar el nuevo enlace que se forma.
| Elemento | Electronegatividad (Pauling) |
|---|---|
| Hidrógeno (H) | 2.20 |
| Carbono (C) | 2.55 |
| Nitrógeno (N) | 3.04 |
| Oxígeno (O) | 3.44 |
| Azufre (S) | 2.58 |
Para aquellos interesados en profundizar en la base científica de la información presentada, los siguientes artículos de revisión son un excelente punto de partida:
👉🏻 Lectura base recomendada: Capítulo 2 “Átomos, moléculas y iones” del libro Química de Raymond Chang.