jueves, 11 de agosto de 2022

13. Postulados de asociación | 🎱 El átomo químico | Joseleg

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Postulado de asociación

Los átomos de diferentes elementos pueden combinarse entre sí en proporciones de números enteros simples y fijos para formar átomos compuestos.

Lo anterior implica que dos átomos de diferentes elementos se combinan para formar un átomo compuesto “como lo llamaba Dalton” o una molécula de una sustancia compuesta como la llamamos nosotros. Nuevamente, el modo original de expresarlo era con círculos:

Figura 131.  Representación pictórica de las moléculas de diferentes sustancias compuestas empleando el modelo atómico de Dalton, (izquierda )con los símbolos propuestos por el propio Dalton (derecha) con el código de colores CPK.

Fórmula molecular

En la Figura 13‑1 podemos notar que debajo del modelo CPK de la molécula existe un nombre y un símbolo compuesto por símbolos atómicos y subíndices numéricos, este código es lo que se conoce en química como la fórmula molecular. La fórmula molecular es el equivalente al símbolo atómico, pues permite representar a la molécula de manera abstracta sin tener que dibujar esferas de colores CPK todo el tiempo.

Las primeras fórmulas químicas fueron algo diferentes de como las representamos actualmente, por ejemplo, la teoría equivalentista manejaba una mezcla entre fórmulas y símbolos específicos, como si fueran códigos más o menos arbitrarios para indicar los pesos equivalentes de las sustancias, mientras que las primeras versiones de las fórmulas químicas que conocemos expresaban las cantidades de átomos (relativas o absolutas) como superíndices en lugar de subíndices:

Tabla 131. Diferentes fórmulas químicas dependientes de la teoría que se asumiera como correcta (Padilla & Furio-Mas, 2008).

El subíndice en la fórmula molecular representa el número absoluto o verdadero de átomos de un elemento en una molécula. En ocasiones el subíndice será un parámetro importante a tener en cuenta algebraicamente por lo que lo representaremos con el símbolo siI.

Química la ciencia central 13

Ejercicio 3.5a. La glicina, un aminoácido utilizado por los organismos para fabricar proteínas, está representada por el siguiente modelo molecular. (a) Escriba su fórmula molecular.

Fórmula empírica

En química, la fórmula empírica de un compuesto químico es la proporción más simple de números enteros de átomos presentes en un compuesto. Un ejemplo simple de este concepto es que la fórmula empírica del monóxido de azufre, o SO, sería simplemente SO, al igual que la fórmula empírica del dióxido de azufre, S2O2. Así, el monóxido de azufre y el dióxido de disulfuro, ambos compuestos de azufre y oxígeno, tienen la misma fórmula empírica. Sin embargo, sus fórmulas moleculares, que expresan el número de átomos en cada molécula de un compuesto químico, no son las mismas. Una fórmula empírica no menciona la disposición o el número de átomos verdadero y por ende no permite calcular la masa molar verdadera. Es estándar para muchos compuestos iónicos, como el cloruro de calcio (CaCl2), y para macromoléculas, como el dióxido de silicio (SiO2).

Ejemplo. La fórmula molecular del dimetiléter de etanol es C4H12O2. Determinar la fórmula empírica.

Subíndices no enteros

Existen dos razones para obtener subíndices no enteros, la primera es porque la sustancia es un bertólido o no estequiométrico, categoría de sustancias que discutiremos más adelante. La segunda razón es porque la serie de números enteros más pequeños posee subíndices diferentes de 1. Para tal caso debemos tomar el subíndice no entero y encontrar o

👉 El número fraccionario o racional que más se acerca a él y luego multiplicar todos los subíndices por el denominador.

👉 Encontrar un número que multiplicado por el decimal genere un número fácilmente redondeable a un entero, y nuevamente multiplicar todos los subíndices por ese valor.

Ejemplo. Se midió una fórmula empírica, pero se generaron subíndices no enteros C1H1.33O1. Determinar la fórmula empírica en números enteros pequeños asumiendo que la sustancia no es un Bertólido

Sustancias no estequiométricas

El hecho de que estemos calculando subíndices como números enteros se debe a que asumimos dos cosas implícitamente, que la teoría atómica es correcta y que la ley de Proust es correcta, el problema es algunos tipos de compuestos iónicos, no se pueden escribir con fórmulas empíricas enteramente de números enteros. Un ejemplo es el carburo de boro, cuya fórmula de CBn es una proporción variable de números no enteros con n que van desde más de 4 a más de 6,5. Otro ejemplo es el mineral de hierro llamado wüstita que puede contener un intervalo de hierro de entre 0.83 a 0.95 hierro por cada oxígeno (Gusev, 2014; Park, Kim, Lee, & Kim, 1999). Por suerte para Proust medir esto hubiera sido imposible con la tecnología disponible en su tiempo. Sin embargo, cuando se descubrieron estas sustancias que no siguen la ley de Proust, se les dio el nombre de bertólidos, en honor a Claude Louis conde de Berthollet, quien se opuso a la idea de las proporciones definidas (Padilla & Furio-Mas, 2008). Otras especies químicas como los biopolímeros de proteína y ADN poseen composiciones moleculares altamente variables por lo que no sirven para realizar cálculos estequiométricos.

Figura 181.   La wustita o wüstita es un mineral de la clase de los minerales óxidos de composición FeO. Fue descubierto en 1924 cerca de Stuttgart (Alemania), siendo nombrado así en honor de Ewald Wüst (1875-1934), geólogo y paleontólogo alemán. Otros sinónimos para denominar a este mineral son wuestita, iozita o iosiderita.

Las razones para esto radican en que, aunque la teoría atómica es siempre correcta, la ley de Proust tiene dos excepciones principales

👉 Algunos cristales pueden encerrar cantidades variables de átomos, lo que genera una composición variable como en la wustita.

👉 La identidad de algunas sustancias no se enmarca a una proporción definida de átomos, sino a una estructura general y a propiedades químicas más o menos semejantes. Esto sucede en macromoléculas, donde hay tantos átomos que la presencia o ausencia de unos cuantos no afecta mucho, que es el caso normal del ADN y los isómeros enzimáticos.

La proporción definida

Tomando cuenta la estructura de una fórmula molecular podemos vincular el número de átomos de un elemento cualquiera NJ,j con el número de moléculas donde reside ese elemento Nj empleando el subíndice del elemento siJ,j en la fórmula molecular.

Donde el subíndice (siJ,j) es la constante de proporcionalidad. Decimos que (13.1) representa a la proporción definida porque su valor es constante para un elemento dado en una molécula dad, si dos muestras arrojan valores divergentes de (siJ,j) dirémos que son sustancias diferentes, al menos para compuestos simples, pues en compuestos complejos esta idea no funciona. Es por esto por lo que se dice que la ley de Proust se aplica a compuestos pequeños o de bajo peso molecular. Aunque la ecuación 13.1., parece trivial a primera vista, nos permitirá calcular el número de átomos en un número de moléculas arbitrario, así como poder determinar las relaciones de proporción en situaciones de estequiometría complejas como el análisis de combustión y el análisis de composición porcentual.

Ejemplo. Cuantos átomos hay en 5 moléculas de hidróxido de sodio NaOH.

Ejemplo. Cuantos átomos hay en 5 moléculas de ácido sulfúrico H2SO4.

Ejemplo. Cuantos átomos hay en 6 moléculas de propano C3H8.

Ejemplo. Con el modelo molecular del agua represente la fórmula molecular y el número de átomos de cada elemento en una sola molécula.

Ejemplo. Con el modelo molecular de la glucosa represente la fórmula molecular y el subíndice individual de cada elemento en una molécula.

Ejemplo. Con el modelo molecular del ácido sulfúrico represente la fórmula molecular y el subíndice individual de cada elemento en una sola molécula.

Ejemplo. Con el modelo molecular del metano represente la fórmula molecular y el subíndice de cada elemento en una sola molécula.

Ejemplo. Con el modelo molecular del etileno represente la fórmula molecular y el subíndice individual de cada elemento en una sola molécula.

Ejemplo. Si tenemos 2.5 x 1024 moléculas de agua, determine la cantidad de átomos de hidrógeno, si la fórmula molecular del agua es H2O.

Ejemplo. Cuantos átomos de hidrogeno hay en una molécula de acetona C3H6O

Ejemplo. Cuantos átomos de carbono hay en 350 moléculas de acetona C3H6O

Ejemplo. Cuantos átomos de carbono hay en 3.78 x 1028 moléculas de acetona C3H6O

Ejemplo. Calcular el número de átomos de cada elemento y el número total de átomos en 1.28 X 1020 moléculas de C2H6O

Ejemplo. Calcular el número de átomos de cada elemento y el número total de átomos en 4.25 x 1024 moléculas de C6H12O6.

Poder de enlace variable

Los átomos del mismo elemento pueden combinarse en más de una proporción para formar dos o más compuestos.

Eso implica, por ejemplo, para una sustancia compuesta por los elementos cualquiera A y B, cuya fórmula química estará dada por AaBb, los valores de los subíndices no son siempre constantes, pero cuando los subíndices cambian, también cambia la identidad del compuesto, así, por ejemplo, el agua H2O es una sustancia diferente del agua oxigenada o peróxido de hidrógeno H2O2.

Lo anterior constituye la interpretación atómica de las leyes de proporciones definidas y múltiples, que podemos expresar de este modo.

👉 Ley de las proporciones definidas: Los subíndices de una fórmula química de una molécula no cambian.

👉 Ley de las proporciones múltiples: dos elementos pueden tener más de un conjunto de subíndices, pero cada conjunto de subíndices le da identidad a una sustancia diferente.

  

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