CONCEPTO DE ELEMENTO QUÍMICO

En relación con el concepto de elemento químico hay dos etapas históricas: etapa precientífica (siglo IV a.C Grecia - XVIII) y etapa científica (siglo XVIII - actualidad)

El objeto de la Química es estudiar la materia y sus transformaciones. Por ello esta disciplina científica no podía nacer sin que previamente se clarificaran una serie de aspectos básicos sobre los objetos que nos rodean: ¿qué entendemos por materia? ¿qué tipos de materia existen? ¿está hecha la materia de unos pocos elementos?.

En la antigua Grecia el término elemento se utilizaba en un sentido diferente al que nosotros le damos ahora. Fue Empédocles en el siglo V antes de nuestra era (y más tarde Aristóteles) el que sugirió la idea de que todo en la naturaleza estaba hecho de la mezcla de cuatro elementos o entidades primarias: fuego, aire, agua y tierra.

Esta manera de entender la estructura de la materia tuvo un enorme éxito y perduró hasta el siglo XVIII. El mismo Lavoisier dedicó buena parte de su labor investigadora a refutar la existencia del agua o el aire como elementos, ! hace poco más de 200 años!.

Esa etapa precientífica finalizó cuando el concepto de elemento químico fue clarificado. Eso ocurrió entre el final del siglo XVIII y el comienzo del XIX. El honor se lo damos a Antoine Lavoisier en Francia y a John Dalton en Inglaterra. Sin embargo, previamente, es destacable la aportación de Robert Boyle, autor del libro "The Sceptical Chymist" en 1661, y, posteriormente, la de JJ Thomson descubridor de los isótopos en 1913.

 

PRIMER CONCEPTO DE ELEMENTO QUÍMICO (LAVOISIER, 1789)

lavoisier

Lavoisier fue un gran químico experimental. Entre otros méritos hay que reconocerle la demostración de que el agua y el aire no eran elementos como se creía desde la antigua Grecia. Sus experimentos demostraron que el agua era un compuesto de hidrógeno y oxígeno y que el aire era una mezcla de nitrógeno y oxígeno.

ELEMENTO QUÍMICO ES TODA SUSTANCIA QUE NO PUEDE DESCOMPONERSE EN OTRA MÁS SIMPLE POR NINGUNA TÉCNICA ANALÍTICA

En su libro TRATADO ELEMENTAL DE QUÍMICA (1789), Lavoisier identifica 33 sustancias elementales (elementos). Como podrá apreciar en la siguiente imagen, junto a una gran cantidad de aciertos, se aprecian errores evidentes como LUZ o CALÓRICO, que se explican por el poco conocimiento que por aquella se tenía acerca de la luz y el calor, hoy día no considerados como materia.

LIMITACIÓN: El concepto de elemento químico de Lavoisier es operacional. Si una vez comprobadas todas las técnicas analíticas conocidas la sustancia estudiada no se podía ser separar en otras más simples, debía considerarse como elemento. Por ejemplo, entonces la alúmina (óxido de aluminio) no podía ser separada en aluminio y oxígeno. ¿Es capaz de encontrar casos semejantes en la relación de elementos de Lavoisier?

La definición de Lavoisier es deudora de los trabajos de Robert Boyle, que en su libro "The Sceptical Chymist" (1661) planteaba la necesidad de definir el concepto de elemento químico a partir de consideraciones experimentales.

elementos Lavoisier

COMPUESTO ES UNA SUSTANCIA FORMADA POR LA UNIÓN DE DOS O MÁS ELEMENTOS Y QUE, POR TANTO, PUEDE SER DESCOMPUESTA. LAS MEZCLAS PUEDEN CONTENER ELEMENTOS Y/O COMPUESTOS.

EN LA NATURALEZA LOS ELEMENTOS Y LOS COMPUESTOS SE PRESENTAN FORMANDO MEZCLAS.

LAS MEZCLAS PUEDEN SER HOMOGÉNEAS (AIRE, AGUA DE MAR) O HETEROGÉNEAS (GRANITO).

LAS MEZCLAS HOMOGÉNEAS (DISOLUCIONES) TIENEN LA MISMA COMPOSICIÓN EN CUALQUIER PUNTO. LAS MEZCLAS HETEROGÉNEAS PRESENTAN REGIONES CON COMPOSICIONES DIFERENCIADAS.

LAS MEZCLAS PUEDEN PRESENTARSE EN MEDIO SÓLIDO, LÍQUIDO O GASEOSO

LAS MEZCLAS PUEDEN SER SEPARADAS EN COMPUESTOS O ELEMENTOS MEDIANTE SEPARACIONES FÍSICAS (EVAPORACIÓN, FILTRACIÓN, DECANTACIÓN, ...)

LOS COMPUESTOS PUEDEN SER SEPARADOS EN ELEMENTOS QUÍMICOS MEDIANTE SEPARACIONES QUÍMICAS (CALENTAMIENTO, ELECTROLISIS,...)

clasificacion materia

SEGUNDO CONCEPTO DE ELEMENTO QUÍMICO (DALTON, 1805)

dalton

Dalton da un paso más allá que Lavoisier, intentando explicar porqué unas sustancias no se descomponen en otras más simples (elementos) y otras sí (compuestos). Para ello tuvo que aceptar que la materia estaba formada por átomos inmutables (esferas macizas) increiblemente pequeños. La nueva definición de elemento químico ya no es operacional sino estructural.

ELEMENTO ES UNA SUSTANCIA FORMADA POR ÁTOMOS IDÉNTICOS (IGUAL MASA ATÓMICA)

COMPUESTO ES UNA SUSTANCIA FORMADA POR LA UNIÓN DE DOS O MÁS TIPOS DE ÁTOMOS

 

DESDE LA PERSPECTIVA DE DALTON ¿CUÁLES DE LOS SIGUIENTES ESQUEMAS REPRESENTAN ELEMENTOS, COMPUESTOS O MEZCLAS?

¿CUAL REPRESENTARÍA LA SAL COMÚN? ¿Y EL AIRE? ¿Y EL OXÍGENO? ¿Y EL ORO? ¿Y EL AGUA? ¿Y EL HELIO?

COMPROBAR RESPUESTA: HOT POTATOES

CONSTRUYA MOLÉCULAS CON LA SIMULACIÓN DE PHET (UNIVERSIDAD DE COLORADO, USA) (otro enlace)

A continuación tiene un applet que le permite construir la molécula que quiera, calcular sus propiedades, predecir su bioacticidad y generar un modelo en 3D

MOLINSPIRATION

TERCER CONCEPTO DE ELEMENTO QUÍMICO (inicios siglo XX)

A finales del siglo XIX y comienzos del siglo XX se hicieron grandes descubrimientos que contradecían el modelo de átomo de Dalton. Por ejemplo se sabía que los átomos tenían una estructura interna y contenían partículas más pequeñas: protones (+), neutrones y electrones (-).

A partir de 1911 (modelo atómico de Rutherford) se supo que los protones y neutrones formaban el núcleo de los átomos y que los electrones formaban la corteza o envuelta atómica. Este modelo explicaba la formación de iones y la existencia de isótopos (descubiertos por JJ Thomson en 1913)

CONSTRUYA ÁTOMOS E IONES CON LA SIMULACIÓN DE PHET (UNIVERSIDAD DE COLORADO, USA) (otro enlace)

Este modelo atómico permite distinguir entre NÚMERO ATÓMICO y NÚMERO MÁSICO

NÚMERO ATÓMICO (Z): NÚMERO DE PROTONES PRESENTES EN EL NÚCLEO

NÚMERO MÁSICO (A): SUMA DE PROTONES Y NEUTRONES PRESENTES EN EL NÚCLEO

COMO HABRÁ PODIDO COMPROBAR EN LA SIMULACIÓN:

UN ELEMENTO QUÍMICO ESTÁ FORMADO POR ÁTOMOS QUE TIENEN EL MISMO NÚMERO ATÓMICO, ES DECIR EL MISMO NÚMERO DE PROTONES EN EL NÚCLEO

LOS ÁTOMOS DE UN MISMO ELEMENTO QUE SE DIFERENCIAN ENTRE SÍ EN EL NÚMERO MÁSICO (NÚMERO DE NEUTRONES) SE DENOMINAN ISÓTOPOS.

CONSTRUYA ISÓTOPOS CON LA SIMULACIÓN DE PHET (UNIVERSIDAD DE COLORADO, USA) (otro enlace)

LA SIMULACIÓN LE PERMITIRA ENTENDER EL SIGNIFICADO DE LA MASA ATÓMICA DE LOS ELEMENTOS.

SEGÚN DALTON TODOS LOS ÁTOMOS DE UN ELEMENTO TENÍAN LA MISMA MASA ATÓMICA. AHORA SABEMOS QUE NO ES ASÍ. CUANDO COGEMOS UNA MUESTRA DE UN ELEMENTO REALMENTE ESTAMOS COGIENDO UNA MEZCLA DE ÁTOMOS DE MASAS ATÓMICAS DIFERENTES (ISÓTOPOS) QUE SIEMPRE ESTÁN EN LA MISMA PROPORCIÓN. LA MASA ATÓMICA QUE MIDEN NUESTROS APARATOS ES LA MEDIA PONDERADA DE LAS MASAS DE LOS ÁTOMOS DE LA MEZCLA.

POR ESO AUNQUE LOS ISÓTOPOS TENGAN MASAS ATÓMICAS MUY CERCANAS A LA UNIDAD, LAS MASAS ATÓMICAS DE LOS ELEMENTOS PUEDEN SER FRACCIONARIAS (Ej Cloro 35,45 uma). PARA ELLO BASTA QUE LA MEZCLA DE ISÓTOPOS LO PERMITA (35Cl y 37Cl).

EN ESTOS DESCUBRIMIENTOS TUVO ESPECIAL IMPORTANCIA UN APARATO: EL ESPECTRÓGRAFO DE MASAS

La muestra a analizar se vaporiza y a continuación se ioniza con ayuda de un filamento que la bombardea con electrones. Las partículas ionizadas son aceleradas por una diferencia de potencial eléctrico y, a continuación, son inyectadas en un tubo curvo en el que las trayecorias son curvadas con ayuda de un campo magnético. Dependiendo de la masa y la velocidad de las partículas y la intensidad del campo magnético aplicado, las trayectorias se curvan más o menos, dando lugar a que las partículas con distintas masas alcancen el detector el posiciones diferentes.

espectrografo

El siguiente applet simula el funcionamiento de un espectrógrafo. Con él podrá estudiar cuántos isótopos tienen los elementos más comunes. Para ello tendrá que ajustar los campos eléctrico y magnético del espectrógrafo.Tenga en cuenta que el radio de curvatura aumenta con la velocidad (que depende del campo eléctrico) de las partículas, pero disminuye con la intensidad del campo magnético

Isotope Distribution Calculator and Mass Spec Plotter

 

¿CUÁNTOS ELEMENTOS QUÍMICOS CONOCEMOS?

La IUPAC (International Union of Pure and Applied Physics) es la organización encargada de certificar el descubrimiento de nuevos elementos químicos. En Noviembre de 2011 la IUPAC acordó los nombres de tres nuevos elementos (110, 111 y 112) descubiertos mediante el bombardeo de blancos de plomo con iones de níquel o zinc. De estos nuevos elementos sólo se obtuvieron unos pocos átomos (entre 4 y 8).

fusión de dos núcleos

El Centro de Investigación de Iones Pesados de Darmstadt (Alemania) está especializado en este tipo de investigación. En la tabla siguiente se exponen los elementos descubiertos en sus laboratorios.

En la tabla periódica de la American Chemical Society podrá consultar las características de los elementos conocidos

Shockwave Periodic Table

Otra tabla periódica muy simple pero de gran utilidad es la que te enlazamos a continuación. Con ella podrá hacer ejercicios y comprobar que los elementos tienen diferentes capacidades de combinación (valencias).

Tabla Periódica

El siguiente enlace lo llevará hasta la Tabla Periódica de los Videos de la Universidad de Nottingham

The Periodic Table of Videos

 

¿PUEDE UN ELEMENTO QUÍMICO CONVERTIRSE EN OTRO ELEMENTO QUÍMICO?

El objetivo de los alquimistas era transmutar los metales en oro, es decir, convertir metales comunes como el plomo o el estaño en un metal noble como el oro. Parece ser que no lo consiguieron, pero de lo que no hay duda es que en su intento hicieron descubrimientos y desarrollaron técnicas experimentales que fueron muy útiles para el surgimiento de la Química como ciencia.

alquimista

Hoy día sabemos que la conversión de unos elementos en otros no sólo es posible sino que se produce continuamente a través de un proceso que conocemos como radiactividad. La radiactividad es un fenómeno natural por el que los núcleos de los átomos de ciertos elementos emiten partículas y radiación electromagnética para convertirse en núcleos de otros átomos. Fue descubierta a finales del siglo XIX por Henry Becquerel y descrita posteriormente por Marie Curie.

becquerel curie

Es un proceso espontáneo en el que un núcleo inestable (presente en la naturaleza o producido en el laboratorio) busca la estabilidad emitiendo partículas y energía igual que una roca desprendida de la cima de una montaña rueda por la ladera hasta encontrar la estabilidad en el valle.

Las connotaciones negativas que suelen darse a la radiactividad se deben a los daños que pueden ocasionar esas emisiones en los humanos. Sin embargo debe entenderse que hay una radioactividad natural con la convivimos todos los días. La radiactividad tiene aplicaciones muy útiles para los seres humanos. Por ejemplo se puede emplear para eliminar tumores, esterilizar alimentos o datar restos. Seguro que la mayoría conoce la técnica del carbono 14 para estimar la edad de restos orgánicos.

Las siguientes simulaciones de PHET permiten estudiar la emisión de partículas alfa y beta por núcleos radiactivos

(otro enlace) (otro enlace)

 

¿CUÁL ES EL ORIGEN DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS PRESENTES EN EL UNIVERSO?

Inmediatamente después del Big-Bang el universo sólo contenía hidrógeno y helio. La formación de los demás elementos se produjo mucho después, una vez que se habían formado las estrellas ya que sólo en el interior de estos astros se dan las condiciones de temperatura y presión adecuadas como para que se puedan formar nuevos núcleos. Piensa que los protones tienen la misma carga eléctrica (+) y que cuando se aproximan sufren una repulsión eléctrica que tiende a separarlos. ¿Cómo quedan unidos los protones en los nuevos núcleos? La respuesta es una nueva fuerza atractiva que actúa entre los protones y los neutrones cuando las distancias son muy pequeñas, es la FUERZA NUCLEAR FUERTE. Se necesitan las temperaturas (millones de grados) y presiones del centro de las estrellas para que los núcleos se aproximen lo suficiente como para quedar enlazados y forman núcleos mayores.

No es un fenómeno raro, ya que cada vez que miramos al Sol lo vemos funcionar. En nuestra estrella se está produciendo la fusión de núcleos de hidrógeno y se están produciendo núcleos de helio (4 núcleos de hidrógeno forman un núcleo de helio). La energía liberada en este proceso es la que hace brillar al Sol. Dentro de algunos miles de millones de años no habrá suficiente hidrógeno combustible como para mantener el proceso, el Sol entrará en fase de gigante roja y en su centro (de helio) se alcanzarán temperaturas de 100 millones de grados que permitirán la fusión de los núcleos de helio y la formación de carbono que, a su vez, contribuirá a la formación de magnesio, sodio y oxígeno. Aquí acabará la historia del Sol, pero estrellas con más masa son capaces de producir núcleos más pesados: hasta el hierro.

¿Y cómo se han producido los elementos más pesados que el hierro?

En explosiones de supernova. Cuando una estrella con masa 10 veces mayor que nuestro Sol llega al final de su vida lo hace a través de una explosión tan increiblemente potente que por un momento llega a brillar tanto como una galaxia. En esos momentos se alcanzan las temperaturas necesarias para que se formen los elementos más pesados. Por cierto en la Tierra el elemento más pesado presente en la naturaleza es el Uranio, con 92 protones en el núcleo.

Si piensa un poco comprenderá que los elementos que forman su cuerpo se han "cocinado" en el interior de las estrellas y han sido esparcidos por el espacio interestelar mediante increibles explosiones. Después, antes de llegar a formar parte de usted, han contribuido a crear un bloque rocoso que giraba en torno a una estrella.

Trabajando con General Chemistry (Petrucci, Harwood, Herring)

Capítulo 1

Physical vs. Chemical Change

Classification of Matter

Mixtures and Compounds

Paper Chromatography of Ink

Phases of Water

Capítulo 2

Alpha, Beta, and Gamma Rays

Rutherford Experiment

Atomic Notation

Isotopes

Mass Spectrometer

Trabajando con CURSO DE INTRODUCCION EN QUIMICA GENERAL (Universidad Valladolid)

Nomenclatura

Estructura atómica

Propiedades periódicas

Estequiometría

Test

Trabajando con Alonsofórmula Formulación Química Inorgánica

Trabajando con Alonsofórmula Formulación Química Orgánica

Trabajando con 100ciaquimica Formulación Química Inorgánica
PHET (QUÍMICA GENERAL)
IOWA University (Simulations)
Delights of Chemistry
Educaplus
Libro del Web de Química del NIST
Laboratorio virtual ChemCollective

Mineralogy database

Lecture Demonstration Movie Sheets

Phase Diagrams & Computational Thermodynamics
Leyes de los gases
INICIACIÓN INTERACTIVA A LA MATERIA
CHEMISTRY POWERPOINTS

INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY

General Chemistry Demonstrations
Learners TV

 

Practicando Quizes con General Chemistry Online

Videos de Academy Khan

Introductory Chemistry v.1 (cap 1)

Chem1 virtual textbook