Gases

Según el diagrama de fases, la mayor parte de los elementos químicos y las sustancias pueden existir en tres estados, esto es: sólido, líquido y gaseoso. Y cada uno de nosotros puede muy fácilmente determinar esos estados solo observando el comportamiento cuando nos enfrentamos a una sustancia.

Cada uno de los estados, ha sido estudiado durante años por los hombres de ciencia, con el objetivo de determinar las leyes físicas que puedan predecir su comportamiento con el cambio de las circunstancias que lo rodean. En este caso nos ocuparemos de los gases.

Empezaremos por definir que es un gas.

El gas

La definición de un gas puede ser muy simple y reducirse solo a decir:

"Un gas es una sustancia cuyo volumen es igual al volumen del recipiente que lo contiene".

Esto es cierto, los gases se expanden hasta ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene, pero ese efecto no es único. Si inyectamos a muy alta velocidad un líquido por un pequeño orificio para formar un aerosol dentro de un volumen vacío, las pequeñas y rapidísimas partículas de líquido, también terminarán por ocupar todo el volumen formando una niebla, por lo que a nuestra escueta definición hay que agregarle algo para evitar la confusión.

Podemos tratar de arreglar este problema agregando que:

 " un gas deberá estar formado por un gran número de moléculas".

 
Pero bueno... el líquido también está formado por muchas moléculas, así que aun no está resuelto del todo, nos falta aun algo, por eso agregamos que:

"las moléculas se mueven en todas direcciones"

cosa que no sucede en el líquido del aerosol, donde el grupo de moléculas que forman la partícula se mueven todas en la misma dirección debido a la interacción molecular que mantienen, y que a su vez impide la libre expansión.

Al parecer ahora si ya tenemos definido el gas, pero para que esta última condición se cumpla debe cumplirse a su vez que: 

"el tamaño de la molécula debe ser despreciable, comparado con la distancia entre ellas" 

de forma tal que esa enorme distancia relativa, hace que no haya interacción, y que esta solo se limite a su choque físico eventual.

Finalmente un gas es entonces una sustancia que cumple con las condiciones siguientes:

1.- Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.

2.- Está formado por un gran número de moléculas.

3.- Estas moléculas se mueven individualmente al azar en todas direcciones.

4.- La interacción entre las moléculas se reduce solo a su choque.

En la realidad, estas condiciones se cumplen con suficiente aproximación, en todos los gases a las condiciones normales de presión y temperatura como para ser consideradas ciertas, pero ¿qué pasa si el gas se somete a muy elevadas presiones?, por ejemplo reduciendo notablemente el recipiente que lo contiene. Resula claro que en tal caso, la distancia entre las moléculas se reduce (ya que el gas es compresible) y su interacción comienza a tener más y más influencia en el comportamiento, a medida que más y más se aumente la presión. Como consecuencia del incremento progresivo de la presión nuestro gas va apartándose de la definición de gas que hemos establecido, por tal motivo y debido a que un gas puede ser "mas o menos gas" se establece un "patrón de gas" que servirá para sentar las leyes del comportamiento de todos los gases y que podrá ser usada con suficiente aproximación en la mayor parte de las aplicaciones prácticas, este patrón se llama gas ideal.

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Estados de oxidación

El estado de oxidación es un término convenido por los químicos y se representa por un número de carácter artificial (no tiene un sentido físico estricto), que resulta de un modo particular de contar los electrones que "pertenecen" a un átomo en una  sustancia, comparado con la cantidad de electrones de valencia que tiene en el estado libre el elemento. Como la definición brindada es "larga y pesarosa" vamos a aclararla.

¿Cuantos electrones tiene un átomo en un enlace?

Figura 1. Molécula de hidrógeno. Figura 2. Estructura cristalina del HF. Figura 3. Electronegatividad de los elementos representativos.

Bueno, la respuesta depende de la conveniencia, cuando se trató el tema de los enlaces (que lo puede leer aquí) se explicaba que los átomos se enlazan buscando cumplir la regla de los octetos, es decir completar a 8 la cantidad de electrones del último nivel de energía y por tal motivo el, o los, electrones del último nivel se "compartían como buenos amigos" entre ambos átomos en el enlace llamado covalente.

En el enlace covalente cuando se usa la regla de los octetos los electrones del enlace cuentan para los dos átomos enlazados, de esa forma cuando dos átomos de hidrógeno (H) se enlazan para formar la molécula (H₂) se considera que el electrón solitario del átomo de hidrógeno cuenta para ambos átomos de forma que cada uno es "dueño" de dos electrones y con ello se completa el último nivel de energía (que para el hidrógeno no es 8 si no 2). Ambos átomos están "felices" y la molécula es lo mas estable posible (figura 1).

Esta forma de contar los electrones que pertenecen a cada átomo conviene en este momento, y además es lo suficientemente lógico como para aceptarlo a fin de explicar la forma en que los átomos se enlazan para formar moléculas o compuestos. Recuerde que en ciencia una teoría es verdadera cuando explica la realidad observada.

En otros tipo de enlaces como en los casos donde participan metales y no metales el conteo se trata de otra forma, ahora la regla de los octetos se cumple, no por compartir electrones, si no por que uno de los átomos le "regala" electrones al otro y este último los acepta. Ambos tratan de cumplir con la preferencia atómica de tener completos la última capa de electrones de valencia, es decir cumplir con la regla de los octetos, pero ahora a través de la transferencia de electrones. De esta forma cuando el flúor (F) y el sodio (Na) se enlazan para forma el fluoruro de sodio (NaF), el sodio cede el electrón solitario de la última capa de valencia (el sodio tiene 11 electrones en el átomo, dos en la primera capa, 8 en la segunda, ambas completas, y uno solitario en la próxima o de valencia) y el flúor lo acepta para completar el octeto (el flúor tiene 9 electrones en el átomo, dos en la primera capa que está completa y 7 en la última o de valencia).

Como los átomos ganan y pierden electrones se pierde la neutralidad eléctrica y se convierten en iones, lo que hizo llamar al enlace enlace iónico. Para este tipo de compuestos no puede reconocerse la molécula como entidad independiente en su lugar los iones de signo contrario se atraen mutuamente para formar una gran red de iones que se denomina cristal (figura 2).

Ante la conveniencia de tener un solo modo de conteo universal de los electrones y con ello facilitar la predicción de los productos cuando se produce una reacción química, ya sea entre metales y no metales o entre no metales, los químicos crearon una forma de contabilizar los electrones conocida como método de los estados de oxidación. La meta del método es asignar un número a cada átomo que nos diga de cuantos electrones de valencia es "dueño" cada uno. Ese número asignado se llama estado o número de oxidación. 

Para que sea coherente el método de los estados de oxidación hay que establecer algunas "reglas del juego" y estas son:

1.- Los electrones pareados de un átomo pertenecen por completo a él y no se transfieren a otro átomo. (vea el artículo Enlaces para saber que son electrones pareados).

2.- En un enlace químico el átomo mas electronegativo siempre será "dueño" de los electrones compartidos (en la figura 3 se brinda la electronegatividad de los elementos representativos).

3.- Cuando dos átomos del enlace son del mismo elemento (y por consiguiente de la misma electronegatividad) los electrones se dividen por igual entre ambos átomos.

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Equilibrio químico

Supongamos que usted ha encontrado emanaciones de dióxido de azufre (SO₂) saliendo de una grieta del suelo cerca de un volcán y que sabe también que si hace reaccionar ese dióxido de azufre con más oxígeno obtiene trióxido de azufre (SO₃) el que luego reacciona con agua para formar ácido sulfúrico, probablemente la sustancia química que más se produce en el mundo. El negocio salta a la vista, así que decide iniciar los experimentos. Hace un par de averiguaciones y se entera de que un poco de platino como catalizador ayuda notablemente en la reacción. La cuestión es simple, solo hay que seguirse por la reacción:

2SO₂(g)  +  O₂(g)  ------------->  2SO₃(g)     (Reacción 1)

Entonces toma dos moles de SO₂ y uno de oxígeno y los mezcla en un recipiente de un litro para obtener dos moles de SO₃ como indica la reacción. Pacientemente espera una hora para que la reacción se produzca, después solo será necesario burbujear el SO₃ en el agua que ya tiene lista y en espera. Pero que sorpresa, al cabo de la hora de espera, en el recipiente, junto con el SO₃ tiene algo de oxígeno y de SO₂ aun. Hay que esperar más así que "mejor me voy a casa y vuelvo mañana".

Al otro día la sorpresa es aun mayor, se mantienen coexistiendo las tres sustancias, ¿la reacción se ha detenido? Ante tal enigma usted decide ir a ver a su profesor de química y le explica lo sucedido. La respuesta no se hace esperar, ‒"no, la reacción no se ha detenido la reacción sigue, el asunto es que ha alcanzado lo que nosotros los químicos llamamos equilibrio dinámico. Todas las reacciones, al menos en principio, proceden en dos direcciones: en la dirección de la formación de productos (reacción directa) y en la dirección contraria, es decir, hacia la regeneración de los reaccionantes (reacción inversa), y nosotros lo representamos con dos flechas, una apuntando a la derecha hacia los productos y otra apuntando a la izquierda hacia los reaccionantes".

2SO₂(g)  +  O₂(g)  <=======>  2SO₃(g)     (Reacción 2)

‒ y continúa ‒"cuando la velocidad de reacción en el sentido directo es igual a la velocidad de reacción en sentido inverso la reacción aparenta haberse detenido ya que no se observa que la cantidad de producto crece, en otras palabras, la reacción inversa está procediendo a la misma velocidad que la reacción directa".

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La molécula

Los elementos químicos principales son un grupo de alrededor de 90 formas naturales y espontáneas diferentes de manifestarse la materia que fueron identificadas y nombradas por los químicos a lo largo de la historia (además hay unas 23 formas adicionales que no aparecen en la naturaleza y fueron sintetizadas por los hombres). Se les denominó elementos ya que no podía cambiarse su naturaleza de ninguna forma por medios químicos, eran algo como los "ingredientes" básicos que se mezclaban para producir todo lo que nos rodea. Solo unos pocos de estos 90 elementos se podían encontrar en la naturaleza en forma libre (sin estar "mezclados" con ningún otro), la gran mayoría resultaron de "extraerlos" de sustancias en las que estaban acompañados de uno o mas de los otros elementos. El desarrollo posterior de la ciencia (especialmente de la química) indujo a pensar a los científicos que estos elementos estaban formados por la agrupación de minúsculas partículas indestructibles e indivisibles que se les llamó átomos, y se demostró además que los átomos de los diferentes elementos eran a su vez diferentes y que estaban formados por dos partes básicas: un núcleo central con carga eléctrica positiva debido a los protones; y una "nube" que rodeaba el núcleo con partículas cargadas negativamente o electrones (vea la estructura detallada del átomo aquí).

El hecho de que una buena parte de los elementos "aparecieran" producto de la división de sustancias naturales que los contenían, con propiedades físicas y químicas muy diferentes a los elementos constitutivos independientes, también indujo a pensar que existía una cantidad mínima de esa sustancia formada por el menor número de átomos posibles, una "unidad" de sustancia que llamaron molécula. La demostración de que el proceso destrucción/formación de las sustancias era reversible no dejaba lugar a dudas, los átomos de los elementos se pueden juntar para formar la molécula y luego esta molécula se puede separar en los átomos independientes.

La molécula no era una mezcla

Algo saltaba a la vista, cuando se unen átomos de elementos para formar una molécula no se estaba haciendo una mezcla común, por ejemplo, si se ponen en contacto el cloro (Cl), que es un gas en condiciones normales, con el sodio (Na), que es un sólido plateado y blando, se produce una sustancia con características físicas y químicas completamente diferentes a los "ingredientes" utilizados, el cloruro de sodio (NaCl), sal de mesa o sal común. Esto era completamente diferente al caso, por ejemplo, de mezclar sal y azúcar en cuya mezcla podían diferenciarse fácilmente los granos de cada ingrediente. Los átomos no se han mezclado, se han "acoplado" de alguna forma para dar como resultado una molécula de una sustancia absolutamente diferente un compuesto.

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Enlaces químicos

Los elementos químicos principales son un grupo de alrededor de 90 formas naturales y espontáneas diferentes de manifestarse la materia que fueron identificadas y nombradas por los químicos a lo largo de la historia (además hay unas 23 formas adicionales que no aparecen en la naturaleza y fueron sintetizadas por los hombres). Se les denominó elementos ya que no podía cambiarse su naturaleza de ninguna forma por medios químicos, eran algo como los "ingredientes" básicos que se mezclaban para producir todo lo que nos rodea. Solo unos pocos de estos 90 elementos se podían encontrar en la naturaleza en forma libre (sin estar "mezclados" con ningún otro), la gran mayoría resultaron de "extraerlos" de sustancias en las que estaban acompañados de uno o mas de los otros elementos. El desarrollo posterior de la ciencia (especialmente de la química) indujo a pensar a los científicos que estos elementos estaban formados por la agrupación de minúsculas partículas indestructibles e indivisibles que se les llamó átomos, y se demostró además que los átomos de los diferentes elementos eran a su vez diferentes y que estaban formados por dos partes básicas: un núcleo central con carga eléctrica positiva debido a los protones; y una "nube" que rodeaba el núcleo con partículas cargadas negativamente o electrones (vea la estructura detallada del átomo aquí).

El hecho de que una buena parte de los elementos "aparecieran" producto de la división de sustancias naturales que los contenían, con propiedades físicas y químicas muy diferentes a los elementos constitutivos independientes, también indujo a pensar que existía una cantidad mínima de esa sustancia formada por el menor número de átomos posibles, una "unidad" de sustancia que llamaronmolécula. La demostración de que el proceso destrucción/formación de las sustancias era reversible no dejaba lugar a dudas, los átomos de los elementos se pueden juntar para formar la molécula y luego esta molécula se puede separar en los átomos independientes.

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Acidos y bases

Desde los comienzos de la química y mucho antes de que salieran a la luz las teorías atómicas, ya los alquimistas sintieron la necesidad de clasificar las muchas sustancias que encontraban a su paso. Evidentemente, para aquellos tiempos solo se podía contar los propios sentidos a fin de establecer las propiedades de estas sustancias y de alguna manera comenzar a separarlas en categorías. De esta forma, y muy temprano, los químicos crearon dos categorías, los ácidos y las bases, partiendo del hecho de que los ácidos tenían un sabor "ácido" (del griego acidus) y las bases un sabor amargo.

Más adelante se adicionaron a la condición de ácidos dos nuevas características:

1.- Cuando estaban disueltos en agua la disolución se coloreaba de rojo al agregarle tornasol (un colorante extraído de algunos líquenes).

2.- "Devoraban" los metales activos reaccionado con ellos y produciendo hidrógeno gaseoso.

Por su parte, las bases también encontraron nuevas características:

1.- Coloreaban de azul al tornasol.

2.- Producen soluciones en agua que se sienten "resbalosas".

El resto de las sustancias que no tenían estas características se denominaron sustancias neutras. Probando de esta manera las sustancias, se establecieron las bases iniciales para comprender el comportamiento químico de muchas sustancias comunes.

Otro hecho que se observó muy temprano era que los dos tipos de sustancias se "aniquilaban" mutuamente de forma que al mezclarlas en cantidades apropiadas se producían sustancias que hacían la solución neutra y con sabor salado, las típicas cualidades de ambas desaparecían.

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Estequiometria

Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.

A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean moléculas, átomos o iones, aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que las uniones que existían previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e implica los dos principios siguientes:

• El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia.
• El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.

En el transcurso de las reacciones químicas las partículas subatómicas tampoco desaparecen, el número total de protones, neutrones y electrones permanece constante. Y como los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa, la suma total de cargas no se modifica. Esto es especialmente importante tenerlo en cuenta para el caso de los electrones, ya que es posible que durante el transcurso de una reacción química salten de un átomo a otro o de una molécula a otra, pero el número total de electrones permanece constante. Esto que es una consecuencia natural de la ley de conservación de la masa se denomina ley de conservación de la carga e implica que:

• La suma total de cargas antes y después de la reacción química permanece constante.

Las relaciones entre las cantidades de reactivos consumidos y productos formados dependen directamente de estas leyes de conservación, y por lo tanto pueden ser determinadas por una ecuación (igualdad matemática) que las describa. A esta igualdad se le llama ecuación estequiométrica.

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