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2.2.4.-Afinidad electrónica
La afinidad electrónica (AE) o electroafinidad se define como la energía involucrada cuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental (de mínima energía) que captura un electrón y forma un ion mono negativo:
.
Dado que se trata de energía liberada, pues normalmente al insertar un electrón en un átomo predomina la fuerza atractiva del núcleo, que tiene signo negativo. En los casos en los que la energía sea absorbida, cuando ganan las fuerzas de repulsión, tendrán signo positivo; AE se expresa comúnmente en el Sistema Internacional de Unidades, en kJmol-1.
También podemos recurrir al proceso contrario para determinar la primera afinidad electrónica, ya que sería la energía consumida en arrancar un electrón a la especie ani onica mono negativa en estado gaseoso de un determinado elemento; evidentemente la entalpía correspondiente AE tiene signo negativo, salvo para los gases nobles y metales alcalinotérreos. Este proceso equivale al de la energía de ionización de un átomo, por lo que la AE sería por este formalismo la energía de ionización de orden cero.
Esta propiedad nos sirve para prever que elementos generaran con facilidad especies aní nicas estables, aunque no hay que relegar otros factores: tipo de contracción, estado sólido, ligando-disolución, etc.
2.2.5.- Número de oxidación
El número de oxidación es un número entero que representa el número de electrones que un átomo pone en juego cuando forma un compuesto determinado.
El número de oxidación es positivo si el átomo pierde electrones, o los comparte con un átomo que tenga tendencia a captarlos. Y será negativo cuando el átomo gane electrones, o los comparta con un átomo que tenga tendencia a cederlos.
El número de oxidación se escribe en números romanos (recuérdalo cuando veamos la nomenclatura de Stock): +I, +II, +III, +IV, -I, -II, -III, -IV, etc. Pero en esta página también usaremos caracteres arábigos para referirnos a ellos: +1, +2, +3, +4, -1, -2, -3, -4 etc., lo que nos facilitará los cálculos al tratarlos como números enteros.
En los iones monoatómicos la carga eléctrica coincide con el número de oxidación. Cuando nos refiramos al número de oxidación el signo + o - lo escribiremos a la izquierda del número, como en los números enteros. Por otra parte la carga de los iones, o número de carga, se debe escribir con el signo a la derecha del dígito: Ca2+ ión calcio(2+), CO3
2- ión carbonato(2-).
¿Será tan complicado saber cuál es el número de oxidación que le corresponde a cada átomo? Pues no, basta con conocer el número de oxidación de los elementos que tienen un único número de oxidación, que son pocos, y es muy fácil deducirlo a partir de las configuraciones electrónicas. Estos números de oxidación aparecen en la tabla siguiente. Los números de oxidación de los demás elementos los deduciremos de las fórmulas o nos los indicarán en el nombre del compuesto, así de fácil.
NÚMEROS DE OXIDACIÓN En los oxácidos
+1 +2
H+1 ou H–1
+3
+4
+5
+3
+6
+4
+7
+5
+3
+1
Li
Na
K
Rb
Cs
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
B
Al
Ga
In
Tl
C
Si
Ge
Sn
Pb
N
P
As
Sb
Bi
O
S
Se
Te
-
F
Cl
Br
I
-
Sc+3 Zn+2
Y+3 Ag+ Cd+2
La+3
–4 –3 –2 –1Con el H y con losmetales
El hidrógeno (H) presenta número de oxidación +1 con los no metales y –1 con los metales.
El flúor (F) sólo presenta el número de oxidación –1.
El oxígeno (O) presenta el número de oxidación –2, excepto en los peróxidos donde es –1
Los metales alcalinos (grupo 1, o grupo del Li) tienen 1 electrón de valencia, tenderán a perderlo poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación +1.
Los metales alcalinotérreos (grupo 2, o grupo del Be) tienen 2 electrones de valencia, tenderán a perderlos poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación +2.
El grupo del B (grupo 13) tiene 3 electrones de valencia, tenderán a perderlos poseyendo siempre en los compuestos número de oxidación +3.
El grupo del C (grupo 14) tiene 4 electrones de valencia, que tienden a compartirlos, tienen número de oxidación +4 frente a los no metales, y número de oxidación –4 frente a los metales y al H.
El grupo del N (grupo 15) tiene 5 electrones de valencia, tenderán a ganar 3 poseyendo siempre con el H y con los metales número de oxidación –3.
Los cal cógenos (grupo 16, o grupo del O) tienen 6 electrones de valencia, tenderán a ganar 2 poseyendo siempre con el H y con los metales número de oxidación –2.
Los halógenos (grupo 17, o grupo del F) tienen 7 electrones de valencia, tenderán a ganar 1 poseyendo siempre con el H y con los metales número de oxidación –1.
Dentro de los metales de transición debemos saber que la Ag tiene número de oxidación +1, el Zn y Cd tienen número de oxidación +2, y el Sc, Y y La tienen número de oxidación +3.
Los grupos 14 al 17 presentan varios números de oxidación cuando formen oxácidos, pero ya los estudiaremos más adelante.
2.2.6 Electronegatividad.
La electronegatividad de un elemento es la capacidad que tiene un átomo
de dicho elemento para atraer hacia sí los electrones, cuando forma parte
de un compuesto. Si un átomo tiene una gran tendencia a atraer electrones
se dice que es muy electronegativo (como los elementos próximos al flúor)
y si su tendencia es a perder esos electrones se dice que es muy
electropositivo (como los elementos alcalinos). La electronegatividad tiene
numerosas aplicaciones tanto en las energías de enlaces, como en las
predicciones de la polaridad de los enlaces y las moléculas y, también, en la
racionalización de los tipos de reacciones que pueden experimentar las
especies químicas.Tendencia que presenta un átomo a atraer electrones de
otro cuando forma parte de un compuesto. Si un átomo atrae fuertemente
electrones, se dice que es altamente electronegativo, por el contrario, si no
atrae fuertemente electrones el átomo es poco electronegativo. Cabe
destacar, que cuando un átomo pierde fácilmente sus electrones, este es
denominado “electropositivo”. La electronegatividad posee relevancia en el
momento de determinar la polaridad de una molécula o enlace, así como el
agua (H2O) es polar, en base a la diferencia de electronegatividad entre
Hidrógeno y Oxígeno.En la tabla periódica la electronegatividad aumenta de
izquierda a derecha en un período y de abajo hacia arriba en un grupo.
2.3 Aplicacion: Impacto Economico O Ambiental De Algunos Elementos
La mayoría de los metales se encuentran en la naturaleza combinados
químicamente forma de minerales. Un mineral es una sustancia natural con
una composición química característica, que varía sólo dentro de ciertos
límites. Un depósito mineral cuya concentración es adecuada para extraer
un metal específico, se conoce como mena. En la siguiente tabla se agrupan
los principales tipos de minerales además también podemos observar una
clasificación de los tipos de minerales además también podemos observar
una clasificación de los metales basados en sus minerales. Además de los
minerales encontrados en la corteza terrestre, el agua de mar es una rica
fuente de algunos iones metálicos.
Tipo Minerales Metales nativos Ag, Au, Bi, Cu, Pd, Pt Carbonatos Ba C O3.Mg
CO 3(dolomita),Pb CO 3?(cerusita), Zn CO 3?(smithsonita) Halogenuros Ca F
2?(fluorita), Na Cl(halita), KCl(silvita), Na 3 Al F 6(criolita) Óxidos Al 2 O
3.2H2O(bauxita), Al 2 O 3(corindón), Fe 2 O 3(hematita) Fe 3 O
4(magnetita), Cu 2 O?(cuprita),Mn O 2?(pirolusita), Sn O 2?(casiterita),Ti O
2(rutilo), ZnO(zincita) Fosfatos Ca3(PO4)2(roca fosfórica),
Ca5(PO4)3OH(hidroxiapatita) Silicato Be 3 Al 2 Si 6 O 18(berilio),Zr Si O 4?
(zircón),Na Al Si 3 O 8?(albita), Mg3(Si 4 O 10?)(OH)2(talco) Sulfuros Ag 2 S?
(argentita),CdS(grenoqita),Cu 2 S?(calcocita),Fe S 2?(pirita), HgS(cinabrio),
PbS(galena),ZnS(esfalerita) Sulfatos Ba SO 4?(barita), Ca SO 4?(anhidrita),
Pb SO 4?(anglesita), Sr SO 4?(celestita), Mg SO 4?.7H2O(epsomita) 2.3.2
Clasificación de los metales por su utilidad. Grupo Metales Aplicación I
Activos 1 y 2 Excepto Mg, Be Elaboración de jabón, cerámica industrial,
neutralización de suelos ácidos con CaO,cemento a partir de Ca CO 3, Ca SO
4. II Ligeros Be, Mg, Al Aleaciones (duraluminio Mg, Al, Mn, resiste más que
el acero y es más ligero), construcción(de aviones, automóviles,
herramientas, etc.) III De punto de fusión alto Fe,Co,Ni,Cr,V,Mn,Ti,Mo
Herramientas, maquinaria, aceros(industria)(especiales(Fe principal, Cr,Ni,V)
Alvanadio (resiste vibraciones y golpes, se usa para hacer
automóviles)Al(Mg)(maquinas niveladoras de terrenos, resiste grandes
esfuerzos mecánicos)Inoxidable). IV De punto de fusión bajo Cu, Zn, Cd, Pb,
Hg, Sn (blandos, maleables y dúctiles) Aleaciones (latón(Cu-Zn)bronce(Cu-
Sn)plata alemana(Cu,Zn,Ni)monedas(Cu-Ni). V Nobles Ag, Au, Pt Joyería,
material para laboratorio.
Clasificación de los metales de acuerdo a como se encuentran en la
naturaleza: Metales, grupo de elementos químicos que presentan todas o
gran parte de las siguientes propiedades físicas: estado sólido a
temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido; opacidad, excepto
en capas muy finas; buenos conductores eléctricos y térmicos; brillantes,
una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido. Metales y no
metales se encuentran separados en el sistema periódico por una línea
diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son
los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos
que integran esta diagonal —boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio,
telurio, polonio y astato— tienen propiedades tanto metálicas como no
metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes:
aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto,
cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio,
molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio,
tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los
elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con
otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla
de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono
se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos
metálicos son conocidas como amalgamas. El número de elementos que
existen en la naturaleza es de 92 pero pueden añadirse algunos elementos
obtenidos artificialmente. Elemento Un elemento es una sustancia
constituida por átomos con el mismo número atómico. Algunos elementos
comunes son oxígeno, nitrógeno, hierro, cobre, oro, plata, hidrógeno, cloro y
uranio. Aproximadamente el 75% de los elementos son metales y los otros
son no metales. La mayor parte de los elementos son sólidos a temperatura
ambiente, dos de ellos (mercurio y bromo) son líquidos y el resto son gases.
Pocos elementos se encuentran en la naturaleza en estado libre (no
combinados), entre ellos el oxígeno, nitrógeno; los gases nobles (helio,
neón, argón, kriptón, xenón y radón); azufre, cobre plata y oro. Los más de
los elementos se encuentran en la naturaleza combinados con otros
elementos formando compuestos. Los elementos están clasificados en
familias o grupos en la tabla periódica. También se clasifican en metales y
no metales. Un elemento metálico es aquel cuyos átomos forman iones
positivos en solución, y uno no metálico aquel que forma iones negativos en
solución. Los átomos de un elemento tienen el mismo número atómico, pero
no necesariamente el mismo peso atómico. Los átomos con el mismo
número atómico, pero diferentes pesos, se llaman isótopos. Todos los
elementos tienen isótopos, aunque en ciertos casos sólo se conocen los
isótopos sintéticos.
Muchos de los isótopos de los diferentes elementos son inestables, o
radiactivos, y por ende se desintegran para forma átomos estables, del
mismo elemento o de algún otro. Se cree que los elementos químicos son
resultado de la síntesis por procesos de fusión a muy altas temperaturas (en
el orden de los 100 000 000ºC o 180 000 000ºF y superiores). La fusión de
las partículas nucleares simples (protones y neutrones) lleva primero a
núcleos atómicos como el helio y luego a los núcleos más pesados y
complejos de los elementos ligeros (litio, boro, berilio y así sucesivamente).
Los átomos de helio bombardean a los átomos de elementos ligeros y
producen neutrones. Los neutrones son capturados por los núcleos de los
elementos y producen otros más pesados. Estos dos procesos -fusión de
protones y captura de neutrones- son los procesos principales con que se
forman los elementos químicos. Se han sintetizado varios elementos
presentes solamente en trazas o ausentes en la naturaleza. Son el tecnecio,
prometió, astatinio, francio y todos los elementos con números atómicos
superiores a 92. Abundancia cósmica. La abundancia de los elementos en
las rocas de la Tierra, la Tierra en general, los meteoritos, el sistema solar,
las galaxias o todo el universo, corresponde al promedio de las cantidades
relativas de los elementos químicos presentes o, en otras palabreas, a la
composición química promedio. La abundancia de los elementos está dada
por el número de átomos de un elemento de referencia. El silicio
comúnmente se toma como el elemento de referencia en el estudio de la
composición de la Tierra y los meteoritos, y los datos están dados en
átomos por 106 átomos de silicio. Los resultados de las determinaciones
astronómicas de la composición del Sol y las estrellas con frecuencia se
expresan en átomos por 1010 átomos de hidrógeno. Los análisis químicos
ordinarios, entre ellos las técnicas avanzadas para estudios de trazas de
elementos (tales como activación neutrónica o dilución isotópica), sirven
para determinar la composición de rocas y meteoritos. La composición del
Sol y las estrellas puede obtenerse de análisis espectroscópicos
cuantitativos. Los elementos más abundantes en la superficie de la Tierra
son oxígeno, silicio, magnesio, calcio, aluminio, así como el hierro. En el
universo, el hidrógeno y el helio constituyen más del 95% de la materia
total. La composición isotópica de los elementos es casi la misma en todo el
material terrestre y en los meteoritos. La abundancia nuclear de los isótopos
se puede calcular de la composición isotópica de un elemento y de su
abundancia cósmica. Los valores de abundancia nuclear muestran una clara
correlación con ciertas propiedades nucleares, y puede suponerse que son
una buena aproximación de la distribución del rendimiento original del
proceso termonuclear que provocó la formación de los elementos. Los
valores empíricos de abundancia pueden así servir de base para
consideraciones teóricas acerca del origen de la materia y del universo y
han conducido a la siguiente conclusión: no existe un mecanismo único y
simple por el cual puedan haberse formado los elementos, con su
composición isotópica observada. La materia del cosmos parece ser una
mezcla de material formado en diferentes condiciones y tipos de procesos
nucleares. Distribución geoquímica. La distribución de los elementos
químicos en las principales zonas de la Tierra (corteza, manto, núcleo)
depende de la historia remota y de la evolución subsecuente tanto de la
Tierra como del sistema solar. Dado que estos eventos ocurrieron hace
largo tiempo y no hay evidencia directa de lo que en realidad sucedió, hay
mucha especulación en la explicación actual de la distribución de los
elementos en las principales zonas de la Tierra. Antes de que evolucionara
el sistema proto-solar para formar el Sol y los planetas probablemente fue
una gran nube de gas, polvo y alguna otra materia en forma de lente y
girando. El interior de esta nube, contraída y calentada en un inicio por
atracción gravitacional, elevó su temperatura y presión lo suficiente para
iniciar las reacciones nucleares, generando luz y calor. La materia en los
remolinos dentro de las zonas periféricas de la nube, con el tiempo
coalesció y formó los planetas individuales. Porciones de elementos ligeros
más volátiles (como N, C, O e H) escaparon del interior más caliente del
sistema y fueron enriquecidos en los grandes planetas externos menos
densos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno). Los elementos más pesados,
menos volátiles (como Ca, Na, Ng, Al, Si, K, Fe, Ni y S), tendieron a
permanecer cerca del centro del sistema y fueron enriquecidos en los
pequeños planetas internos más densos (Mercurio, Venus, Tierra y Marte).
Se piensa que el crecimiento de la Tierra fue de una nube cuya composición
era muy parecida a la del tipo de los meteoritos rugosos conocidos como
contritas. La proto-Tierra fue probablemente homogénea, esferoide, sin
zonas delimitadas, de composición aproximadamente condrítica. Según la
hipótesis de una Tierra sin zonas bien delimitadas y el modelo condrítico, la
aleación Ni-Fe formó el núcleo, y las fases remanentes formaron el manto.
En una época muy remota de su historia (hace 4–5 x 109 años) es probable
que tuviera principalmente forma sólida. La mayoría de los estudiosos de la
Tierra suponen que un calentamiento posterior, debido a la contracción
adiabática y decaimiento radiactivo, originó un extenso fenómeno de fusión,
la aleación Ni-Fe, su fundió inicialmente; por su mayor densidad, la aleación
se mantuvo en su posición y formó el núcleo. Este evento se conoce como la
catástrofe del hierro. Al continuar la fusión habría creado tres líquidos
inmiscibles; silicatos, sulfuros y aleaciones. Los silicatos, sulfuros y otros
compuestos remanentes podrían haber formado el manto que rodea el
núcleo. La nueva capa oceánica, compuesta principalmente de rocas
basálticas, daría lugar a los arrecifes de alta mar (centros de difusión) por
medio de una fusión parcial del manto. En relación con el manto, la corteza
basáltica está enriquecida en Si, Al, Ca, Na, K y un gran número de
elementos iónicos litó filos; pero es pobre en Mg, Fe y ciertos metales de
transición (del grupo VIII en particular).
El proceso de fusión parcial de la parte superior del manto y la ascensión del
magma formaron una nueva corteza, y puede ser el mecanismo dominante
para la concentración de los elementos que enriquecieron la capa de la
corteza a expensas del manto. La fusión parcial también ocurrió dentro de la
corteza continental, provocando a la formación y ascenso de magmas
comparativamente ricos en elementos del manto, y pobre en relación con
los elementos de las rocas de las que provienen los magmas. Éstos tienden
a moverse hacia arriba con el tiempo, solidificándose en ocasiones y
formando parte de la corteza continental con diversas zonas, una superior,
teniendo una composición granítica, y una inferior (sima), de composición
desconocida, probablemente parecida a la del basalto. La corteza granítica
superior es aún más abundante en elementos de la corteza. Modificaciones
posteriores de la corteza continental superior pueden ocurrir a través de
procesos como la sedimentación climática, el metamorfismo y la
diferenciación ígnea. Elementos actínidos. Serie de elementos que comienza
con el actinio (número atómico 89) y que incluye el torio, protactinio, uranio
y los elementos transuránicos hasta el laurencio (número atómico 103).
Estos elementos tienen gran parecido químico con los lantánidos, o tierras
raras, elementos de números atómicos 57 a 71. Sus números atómicos,
nombres y símbolos químicos son: 89, actinio (Ac), el elemento prototipo,
algunas veces no se incluye como un miembro real de la serie; 90, torio
(Th); 91, protactinio (Pa); 92, uranio (U); 93, neptunio (Np); 94, plutonio
(Pu); 95, americio (Am); 96, curio (Cm); 97, berkelio (Bk); 98, californio (Cf);
99, einstenio (Es); 100, fermio (Fm); 101, mendelevio (Md); 102, nobelio
(No); 103, laurencio (Lr). A excepción del torio y el uranio, los actínidos no
están presentes en la naturaleza en cantidades apreciables. Los elementos
transuránicos se descubrieron e investigaron como resultado de sus síntesis
en reacciones nucleares. Todos son radiactivos, y con excepción del torio y
el uranio, incluso en pequeñas cantidades, deben manejarse con
precauciones especiales. La mayor parte de los actínidos tienen lo siguiente
en común: cationes trivalentes que forman iones complejos y orgánicos; los
sulfatos, nitratos, halogenuros, percloratos y sulfuros correspondientes son
solubles, mientras que los fluoruros y oxalatos son insolubles en ácidos.
Elementos métalo ácidos. Los elementos químicos con los siguientes
números atómicos y nombres: 23, vanadio, V; 41, niobio, Nb; 73, tántalo,
Ta; 24, cromo, Cr; 42, molibdeno, Mo; 74, tungsteno, W; 25, manganeso,
Mn; 43, tecnecio, Tc y 75, renio, Re. Estos elementos son un subgrupo
integrante de los grupos V, VI y VII de la tabla periódica, respectivamente.
En estado elemental todos son metales de alta densidad, alto punto de
fusión y baja volatilidad. La clasificación como elementos métalo ácidos se
refiere al hecho de que sus óxidos reaccionan con el agua para producir
soluciones ligeramente ácidas, en contraste con el comportamiento más
usual de los óxidos de otros metales que dan soluciones básicas. Elementos
nativos. Elementos que aparecen en la naturaleza sin combinarse con otros.
Además de los gases libres de la atmósfera, existen alrededor de 20
elementos que se encuentran bajo la forma de minerales en estado nativo.
Éstos se dividen en metales, semi-metales y no metales. El oro, la plata, el
cobre y el platino son los más importantes entre los metales, y cada uno de
ellos se ha encontrado en ciertas localidades en forma lo suficientemente
abundante para que se exploten como si fueran minas. Otros metales
menos comunes son los del grupo del platino, plomo, mercurio, tantalio,
estaño y zinc. El hierro nativo se encuentra, en escasas cantidades, lo
mismo como hierro terrestre que como procedente de meteoritos. Los semi-
metales nativos pueden dividirse en: 1) el grupo del arsénico, que incluye al
arsénico, antimonio y bismuto, y 2) el grupo del telurio, que incluye el
telurio y el selenio. Los no metales nativos son el azufre y el carbón en sus
formas de grafito y diamante. El azufre nativo es la fuente industrial
principal de este elemento. Elementos de tierras raras. Al grupo de 17
elementos químicos, con números atómicos 21, 39 y 57–71, se le conoce
con el nombre de tierras raras; el nombre lantánidos se reserva para los
elementos del 58 a 71. El nombre de tierras raras es inapropiado, porque no
son ni raras ni tierras. La mayor parte de las primeras aplicaciones de las
tierras raras aprovecharon sus propiedades comunes, utilizándose
principalmente en las industrias del vidrio, cerámica, de alumbrado y
metalurgia. Hoy, estas aplicaciones se sirven de una cantidad muy
considerable de la mezcla de tierras raras tal como se obtienen del mineral,
aunque algunas veces esta mezcla se complementa con la adición de cerio
o se eliminan algunas de sus fracciones de lantano o cerio. Estos elementos
presentan espectros muy complejos, y los óxidos mezclados, cuando se
calientan, dan una luz blanca intensa parecida a la luz solar, propiedad que
encuentra su aplicación en arcos con núcleo de carbón, como los que se
emplean en la industria del cine. Los metales de las tierras raras tienen gran
afinidad por los elementos no metálicos; por ejemplo, hidrógeno, carbono,
nitrógeno, oxígeno, azufre, fósforo y halogenuros. Cantidades considerables
de las mezclas de metales raros se reducen a metales, como el “misch
metal”, y estas aleaciones se utilizan en la industria metalúrgica. Las
aleaciones de cerio y las mezclas de tierras raras se emplean en la
manufactura de piedras de encendedor. Las tierras raras se utilizan también
en la industria del petróleo como catalizador. Granates de itrio y aluminio
(YAG) se emplean en el comercio de joyería como diamantes artificiales.
Aunque las tierras raras están ampliamente distribuidas en la naturaleza,
por lo general se encuentran en concentración baja, y sólo existen en alta
concentración en las mezclas de cierto número de minerales. La abundancia
relativa de las diferentes tierras raras en algunas rocas, formaciones
geológicas, astrofísicos y cosmólogos. Los elementos de las tierras raras son
metales que poseen propiedades individuales particulares. Muchas de las
propiedades de los metales de las tierras raras y de las mezclas indican que
son muy sensibles a la temperatura y la presión. También son diferentes
cuando consideramos las medidas entre los ejes cristalinos de los metales;
por ejemplo, la conductividad eléctrica, la constante de elasticidad, etc. Las
tierras raras forman sales orgánicas con ciertos compuestos quelato-
orgánicos. Esto quelatos, que han reemplazado parte del agua alrededor de
los iones, aumenta las diferencias en las propiedades entre cada elemento
de las tierras raras, lo que se ha aprovechado en los métodos modernos de
separación por intercambio iónico. Elementos de transición. En términos
amplios, son los elementos con número atómico del 21–31, 39–49 y 71–81.
En la clasificación más estricta de los elementos de transición, preferida por
muchos químicos, incluyen sólo los elementos de número atómico 22–28,
40–46 y 72 al 78. Todos los elementos de esta clasificación tienen uno o
más electrones en la subcapa parcialmente llena y tienen, por lo menos, un
estado de oxidación bien conocido. Todos los elementos de transición son
metales y, en general, se caracterizan por sus elevadas densidades, altos
puntos de fusión y bajas presiones de vapor. En el mismo subgrupo, estas
propiedades tienden a aumentar con el incremento del peso atómico. La
facilidad para forma enlaces metálicos se demuestra por la existencia de
una gran variedad de aleaciones entre diferentes metales de transición. Los
elementos de transición incluyen la mayor parte de los metales de mayor
importancia económica, como el hierro, níquel y zinc, que son relativamente
abundantes por una parte, y, por otra, los metales para acuñación, cobre,
plata y oro. También se incluyen elementos raros y poco conocidos, como el
renio y el tecnecio, el cual no se encuentra en la Tierra en forma natural,
aunque sí en pequeñas cantidades como producto de fisión nuclear. En sus
compuestos, los elementos de transición tienden a exhibir valencias
múltiples; la valencia máxima tiende a incrementarse de 3+ en la serie (Sc,
Y, Lu) a 8+ en el quinto miembro (Mn, Re). Una de las características más
importantes de los elementos de transición es la facilidad con que forman
iones complejos y estables. Las características que contribuyen a esta
capacidad son la elevada relación carga-radio y la disponibilidad de sus
orbitales d parcialmente llenos, los cuales pueden ser utilizados para forma
enlaces. La mayor parte de los iones y compuesto de los metales de
transición son coloridos, y muchos de ellos paramagnéticos. Tanto el color
como el paramagnetismo se relacionan con la presencia de electrones
desapareados en la subcapa d. Por su capacidad para aceptar electrones en
los orbitales d desocupados, los elementos de transición y sus compuestos
exhiben con frecuencia propiedades catalíticas. Por lo general, las
propiedades de los elementos de transición son intermedias entre los
llamados elementos representativos, en que las subcapas están
completamente ocupadas por electrones (elementos alcalinos; halógenos),
y los interiores o elementos de transición f, en 1.que los orbitales de las
subcapas desempeñan un papel mucho menos importante en las
propiedades químicas. Elementos transuránicos. Elementos sintéticos con
números atómicos superiores al del uranio (número atómico 92). Son
miembros de los actínidos, desde el neptunio (número atómico 93) hasta el
laurencio (número atómico 103) y los elementos transactínidos (con
números atómicos superiores a 103). El concepto de peso atómico en el
sentido que se da a los elementos naturales no es aplicable a los elementos
transuránicos, ya que la composición isotópica de cualquier muestra
depende de su fuente. En la mayor parte de los casos el empleo de número
de masa del isótopo de mayor vida media en combinación con una
evaluación de su disponibilidad ha sido adecuado. Buenas elecciones en el
momento actual son: neptunio, 237; plutonio, 242; americio, 243; curio,
248; berkelio, 249; californio, 250; einstenio, 254; fermio, 257; mendelevio,
258; nobelio, 259; laurencio, 260; rutherfordio (elemento 104), 261; hafnio
(elemento 105), 262 y elemento 106, 263. Los actínidos son químicamente
similares y tienen gran semejanza química con los lantánidos o tierras raras
(números atómicos 51–71). Los transactínidos, con números atómicos 104–
118, deben ser colocados en una tabla periódica ampliada debajo del
periodo de elementos comenzando con el hafnio, número atómico 72, y
terminando con el radón, número atómico 86. Esta disposición permite
predecir las propiedades químicas de estos elementos y sugiere que
tendrán una analogía química, elemento por elemento, con los que
aparecen inmediatamente arriba de ellos en la tabla periódica. Los
transuránicos, incluyendo hasta al fermio (número atómico 100), se
producen en grandes cantidades por medio de la captura sucesiva de
electrones en los reactores nucleares. El rendimiento disminuye con el
incremento del número atómico y el más pesado que se produce en
cantidades apreciables es el einstenio (número 99). Muchos otros isótopos
se obtienen por bombardeo de isótopos blanco pesados con proyectiles
atómicos cargados en aceleradores; más allá del fermio todos los elementos
se obtienen por bombardeo de iones pesados. Se predice que los
transactínidos que siguen al elemento 106 tendrán una vida media muy
corta, pero consideraciones teóricas sugieren una estabilidad nuclear
mayor, si se comparan con los elementos precedentes y sucesivos, para una
gama de elementos situados alrededor de los números atómicos 110, 115 o
120 a causa de la estabilidad predicha por derivarse de capas nucleares
cerradas.
2.3.1 Abundancia de los Elementos en la Naturaleza
La abundancia de un elemento químico indica en términos relativos cuán
común es un elemento, o cuanto existe de dicho elemento comparado con
otros elementos químicos. Se puede medir o expresar la abundancia de
varias formas, por ejemplo mediante la fracción de masa (igual a la fracción
de peso), o fracción molar (fracción de átomos, o a veces fracción de
moléculas, en el caso de gases), o en función de la fracción volumétrica. La
medida de la fracción volumétrica es una medida de abundancia usual en
mezclas de gases tales como atmósferas, que es muy similar a la fracción
molar molecular para mezclas de gases ideales (es decir mezclas de gases a
densidades y presiones relativamente reducidas).
Por ejemplo, la abundancia expresada como fracción de masa
del oxígeno en el agua es aproximadamente 89%, porque esa es la fracción
de la masa del agua que es oxígeno. Sin embargo, la abundancia expresada
como fracción molar del oxígeno en el agua es de solo el 33% porque solo
1 átomo de cada 3 en el agua es un átomo de oxígeno. En todo el universo,
y en las atmósferasde planetas gigantes de gas tales como Júpiter, las
abundancia como fracción de masa de hidrógeno y helio son
aproximadamente del 74% y 23-25% respectivamente, mientras que las
fracciones molares (atómicas) de estos elementos son del 92% y 8%. Sin
embargo, dado que el hidrógeno es diatómico mientras que el helio no lo es
en las condiciones existentes en laatmósfera exterior de Júpiter, la fracción
molar molecular (fracción de todas las moléculas de gas, o fracción de la
atmósfera expresada como volumen) del hidrógeno en la atmósfera exterior
de Júpiter es aproximadamente 86%, y del 13% para el caso del helio.
La mayoría de las abundancias mencionadas en este artículo corresponden
a abundancias expresadas como fracciones de masa.
el Cu.
La Tierra se formó a partir de la misma nube de materia de la cual se formó
el Sol, pero los planetas adquirieron diferentes composiciones durante
la formación y evolución del sistema solar. La historia de la Tierra fue tal
que partes de este planeta poseen diferentes concentraciones de
elementos.hay 118 elementos que constituyen la tierra
Abundancia de los elementos en la corteza terrestre
Esta gráfica ilustra la abundancia relativa de los elementos químicos en la
corteza continental superior de la Tierra.
Abundancia (fracción de átomos) de los elementos químicos en la corteza
continental superior de la Tierra en función del número atómico. Los
elementos más raros en la corteza (mostrados en color amarillo) no son los
más pesados, sino los elementos siderófilos (afines al hierro) según
la clasificación de elementos de Goldschmidt. Estos han disminuido al
reubicarse en las profundidades en el núcleo de la Tierra. La abundancia de
materiales demeteoroides es más elevada en términos relativos. En forma
adicional, el teluro y el selenio han sido consumidos en la corteza a causa
de la formación de hídridos volátiles.
Muchos de los elementos que se muestran en la gráfica se clasifican según
las siguientes categorías (que se solapan en forma parcial):
1. elementos que forman rocas (elementos principales en la zona verde
y elementos secundarios en la zona verde claro);
2. elementos de las tierras raras (lantánidos, La-Lu, y Y; indicados en
color azul
3. principales metales industriales (producción global >~3×107 kg/año;
indicados en color rojo);
4. metales preciosos (indicados en color púrpura);
5. los nueve "metales" más escasos— los seis elementos del grupo del
Platino más el Au, Re, y Te (un metaloide) — en la zona amarilla.
Es de notar que existen dos cortes en los cuales se encontrarían los
elementos inestables tecnecio (número atómico: 43) y prometio (número
atómico: 61).
Estos son sumamente escasos, dado que en la Tierra son únicamente
producidos mediante la fisión espontánea de elementos radioactivos muy
pesados (por ejemplo, uranio, torio, o las trazas de plutonioque existen en el
mineral de uranio), o mediante la interacción de otros elementos con rayos
cósmicos. Utilizando técnicas de espectrometría ha sido posible identificar la
presencia en las atmósferas de las estrellas de los primeros dos de estos
elementos, allí los mismos son producidos mediante procesos de
nucleosíntesis. También existen cortes en los cuales deberían encontrarse
los seis gases nobles dado que los mismos se encuentran en la corteza
terrestre como resultado de cadenas de decaimiento de elementos
radioactivos y por lo tanto allí son elementos extremadamente raros. No se
incluyen los seis, elementos altamente radioactivos muy raros
(polonio, astato, francio, radio, actinio, y protactinio), dado que cualquiera
de estos elementos que existió cuando se formó la Tierra ha decaído hace
muchos eones, y su cantidad en la actualidad es ínfima.
El Oxígeno y el silicio son elementos sumamente comunes. Existe varias
combinaciones de los mismos que dan lugar a formas comunes
de minerales de silicatos.
Abundancia de los elementos "tierras raras"
El término tierras "raras" es poco apropiado. La persistencia del término es
más una indicación de falta de familiaridad que de verdadera rareza o
escasez. La concentración en la corteza terrestre de cada uno de los
elementos de tierras rarasmás abundantes es similar a metales industriales
comunes tales como el cromo, níquel, cobre, zinc, molibdeno, estaño,
tungsteno, o plomo. Los dos elementos de las tierras raras menos
abundantes (tulio y lutecio) son aproximadamente doscientas veces más
abundantes que el oro. Sin embargo, en comparación con los metales
ordinarios y metales preciosos, los elementos de tierras raras tiene una muy
baja tendencia de estar concentrados en yacimientos minerales con "leyes"
que hagan económicamente atractiva su explotación. En consecuencia, la
mayoría del suministro mundial de elementos de tierras raras proviene de
unos pocos sitios. Más aún, los metales de tierras raras son todos
químicamente muy similares entre sí, y por lo tanto es sumamente difícil
separarlos de manera de obtener cantidades de un elemento puro. Las
diferencias en abundancias de elementos individuales de tierras raras en la
corteza superior de la Tierra representan la superposición de dos efectos,
uno nuclear y el otro geoquímico.
Primero, los elementos de tierras raras con números atómicos pares
(58Ce, 60Nd, ...) presentan abundancias cósmicas y terrestres mayores que
los elementos de tierras raras vecinos con números atómicos impares
(57La, 59Pr, ...). Segundo, los elementos de tierras raras más livianos son más
incompatibles (porque poseen un mayor radio iónico)y por lo tanto se
encuentran concentrados en mayor medida en la corteza terrestre que los
elementos de tierras raras más pesados. En la mayoría de los yacimientos
de minerales de tierras raras, los primeros cuatro elementos de tierras raras
- lantano, cerio, praseodimio, yneodimio - constituyen entre el 80% y el 99%
del total de metales de tierras raras que puede extraerse del mineral.
Océano
Composición elemental del agua de los océanos de la Tierra (en
masa)
ElementoContenido
porcentual
Element
o
Contenido
porcentual
Oxígeno 85.84 Azufre 0.091
Hidrógen
o10.82 Calcio 0.04
Cloro 1.94 Potasio 0.04
Sodio 1.08 Bromo 0.0067
Magnesio 0.1292 Carbono 0.0028
Atmósfera
El orden de los elementos expresado en función de la fracción de volumen
(que es aproximadamente la fracción molecular molar) en la
atmósfera es nitrógeno (78.1%), oxígeno (20.9%), argón (0.96%), y le
siguen (en orden incierto) el carbono y el hidrógeno porque el vapor de
agua y el dióxido de carbono, que contienen la mayoría de estos elementos
en el aire, son componentes variables. El azufre, fósforo, y todos los otros
elementos se encuentran en proporciones mucho menores.
Cuerpo humano
En proporción de masa las células del cuerpo humano consisten en un 65 al
90% de agua (H2O), y una proporción muy importante está compuesto de
moléculas orgánicas a base de carbono. Por lo tanto el oxígeno representa
la mayor parte de la masa del cuerpo humano, seguido por el carbono. El
99% de la masa del cuerpo humano está formada por seis elementos:
oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno, calcio, y fósforo. El contenido de los
elementos aluminio y silicio aunque muy abundantes sobre la Tierra es
notoriamente bajo en el cuerpo humano.
Elemento Proporción en masa (%)
Oxígeno 65
Carbono 18
Hidrógeno 10
Nitrógeno 3
Calcio 1.5
Fósforo 1.2
Potasio 0.2
Azufre 0.2
Cloro 0.2
Sodio 0.1
Magnesio 0.05
Hierro, Cobalto, Cobre, Zinc, Iodo menos de 0.05 cada uno
Selenio, Fluor menos de 0.01 cada uno
2.3.2 Elementos de Importancia Economica.
Hidrogeno (H).
Este elemento es muy importante en:* La refinación de petróleo.
Aluminio (Al).
El aluminio es resistente a la corrosión, se puede laminar e hilar por lo que se emplea en:
*La construcción de vehículos, aviones y utensilios domésticos.
Cobalto (Co). Se emplea en:*La fabricación de aceros especiales debido a su alta resistencia al calor, corrosión y fricción.* La fabricación de herramientas mecánicas de alta velocidad, imanes y motores.* En forma de polvo, se emplea como pigmento azul para el vidrio.
Mercurio (Hg). Es resistente a la corrosión y un buen conductor eléctrico. Se usa en la fabricación de:*Instrumentos de presión, baterías, termómetros, barómetro, amalgamas dentales, medicamentos e insecticidas.
Antimonio (Sb). Se utiliza en:*Metales de imprenta.* Fabricación de baterías y acumuladores. Recubrimientos de cables.
Plata (Ag). Se emplea en:*La acuñación de monedas.* Manufacturas de vajillas y joyas. En la realización de fotografías.
Cobre (Cu). Usado principalmente como:*Conductor eléctrico.
*Elaboración de monedas y aleaciones de latón y bronce.
Plomo (Pb). Se emplea para la fabricación de:* Baterías y acumuladores.* Pinturas. Soldaduras.
Hierro (Fe). Se utiliza para fabricas:* Acero, cemento, fundiciones de metales ferrosos.
Oro (Au). Es el patrón monetario internacional, y se emplea en:*Joyerías y ornamentos.* Piezas dentales. Equipos científicos de elaboración.
Carbono (C).
El principal uso industrial del carbono es:*Como componente de hidrocarburos, especialmente los combustibles fósiles (petróleo y gas natural).
2.3.3 ELEMENTOS CONTAMINANTES
Contaminantes primarios
Los óxidos de nitrógeno (NOx)
Los contaminantes que poseen en su molécula algún átomo de nitrógeno
pueden clasificarse en 3 grupos diferentes: formas orgánicas, formas
oxidadas y forma reducidas.
Se conocen ocho óxidos de nitrógeno distintos, pero normalmente sólo
tienen interés como contaminantes dos de ellos, el óxido nítrico (NO) y el
dióxido de nitrógeno (NO2). El resto se encuentra en equilibrio con estos
dos, pero en concentraciones tan extraordinariamente bajas
que carecen de importancia.
El óxido nítrico (NO) es un gas incoloro y no inflamable, pero inodoro y
tóxico.
El dióxido de nitrógeno (NO2) es un gas pardo-rojizo, no es inflamable pero
sí tóxico y se caracteriza por un olor muy asfixiante. Se utiliza normalmente
la notación NOx para representar colectivamente al NO y al NO2 implicados
en la contaminación del aire. La mayor parte de los óxidos de nitrógeno se
forman por la oxidación del nitrógeno atmosférico durante los procesos de
combustión a temperaturas elevadas. El oxígeno y el nitrógeno del aire
reaccionan para formar NO, oxidándose este posteriormente a NO2.
Los hidrocarburos (HC)
Son sustancias que contienen hidrógeno y carbono. El estado físico de los
hidrocarburos, de los que se conocen decenas de millares, depende de su
estructura molecular y en particular del número de átomos de carbono que
forman su molécula.
Los hidrocarburos que contienen de uno a cuatro átomos de carbono son
gases a la temperatura ordinaria, siendo estos los más improtantes desde el
punto de vista de la contaminación atmosférica, ya que favorecen la
formación de las reacciones fotoquímicas
Ozono (O3)
El ozono es una forma alotrópica del oxígeno. Su fórmula química es O3. En
condiciones normales es un gas incoloro de olor picante característico.
Posee un gran poder oxidante y gran tendencia a transformarse en
oxígeno.
Las concentraciones de ozono a nivel del suelo son muy pequeñas,
incrementándose rápidamente con la altura. Su presencia en la
parte baja de la atmósfera se debe, sobre todo, a la acción fotoquímica de
las radiaciones solares, en presencia de NOx y HC.
Anhídrido carbónico (CO2)
El anhídrido carbónico o dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro, no
tóxico, más denso que el aire, que se presenta en la atmósfera en
concentraciones que oscilan entre 250 y 400 ppm.
En realidad no puede considerarse como contaminante en sentido estricto
ya que no es tóxico, y se halla en atmósferas puras de modo natural. No
obstante, por los posibles riesgos que entraña su acumulación en la
atmósfera, como consecuencia de las alteraciones producidas en su ciclo
por las actividades humanas que pudieran dar lugar a una modificación del
clima de la Tierra, lo consideramos como sustancia contaminante.
Compuestos halogenados
De entre los productos químicos que contienen halógenos en su molécula,
son contaminantes de la atmósfera: el cloro, el fluoruro de hidrógeno, el
cloruro de hidrógeno y ciertos haluros. Entre estos destacamos la acción
tóxica del fluor y sus derivados sobre los vegetales
Metales tóxicos
Los metales son elementos químicos que generalmente se hallan presentes
en la atmósfera en muy bajas concentraciones.
Una de las consecuencias más graves de la presencia de metales tóxicos en
el ambiente es que no son degradados, ni química ni biológicamente, por la
naturaleza, lo que origina su persistencia en ella. Esta persistencia lleva a la
amplificación biológica de los metales en las cadenas tróficas. Como
consecuencia
de este proceso, las concentraciones de metales en los miembros
superiores de la cadena pueden alcanzar valores muy superiores a los
encontrados en la atmósfera Entre los metales tóxicos más importantes por
sus efectos sobre la salud del ser humano están el mercurio (Hg) y el plomo
(Pb). La cantidad de plomo en el aire ha experimentado un marcado
aumento como consecuencia de las actividades humanas, siendo las
concentraciones de plomo en las áreas urbanas de 5 a 50 veces superiores
que en las áreas rurales
Sustancias radiactivas
La causa de entender estas sustancias como contaminantes radica en que
emiten