Fundamentos Químicos y Equipamiento

Materia y Energía

• La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio, se puede tocar, sentir, medir, etc.
• La energía se define como la capacidad para realizar un trabajo o transferir calor.

El Mechero de Bunsen

El mechero de Bunsen es un instrumento de laboratorio utilizado para calentar o esterilizar muestras o reactivos químicos. Provee una transmisión de calor intenso. Es un quemador de gas de premezcla, y su llama es el producto de la combustión de una mezcla de aire y gas.

La Combustión y sus Tipos

La combustión es una reacción química en la que se desprende calor y luz. En este proceso, interviene un elemento que arde (el combustible) y otro que permite la combustión (el comburente).

Combustión Completa

La combustión completa libera como productos de la reacción dióxido de carbono (CO₂) y vapor de agua (H₂O). Se caracteriza por una llama azul pálido y la liberación de una mayor cantidad de calor.

Ecuación general: Combustible + O₂ → CO₂(g) + H₂O(v) + energía (luz y calor)

Combustión Incompleta

La combustión incompleta ocurre cuando la cantidad de oxígeno (O₂) no es suficiente para quemar completamente el combustible. Los productos varían según la disponibilidad de oxígeno, pero típicamente se forma monóxido de carbono (CO) y carbono elemental (hollín). La llama es de color amarillo-naranja.

Ecuación general: Combustible + O₂ → CO(g) + C(s) + H₂O(v) + energía (luz y calor)

La Llama y sus Características

La llama es la manifestación visible de la combustión de un elemento inflamable en una atmósfera rica en oxígeno, observándose una emisión de luz, que puede ser intensa. Es provocada por la emisión de energía de los átomos de las partículas presentes en los gases de la combustión.

Tipos de Llama

1. Llama no luminosa: Se obtiene cuando hay un adecuado contacto entre el aire y el gas antes de la combustión, lo que permite una combustión completa debido a un exceso de oxígeno y la producción de altas temperaturas. Cuando la entrada de aire está abierta, la llama presenta un color azulado porque el oxígeno está regulado para una combustión eficiente, optimizando la transferencia de calor.
2. Llama luminosa: Se produce cuando la entrada de aire está cerrada, lo que resulta en una cantidad insuficiente de aire en el quemador. El gas no se mezcla adecuadamente con el oxígeno en la base del mechero, quemándose de forma incompleta y produciendo una llama de color amarillo y humeante.

Zonas de la Llama

1. Zona fría (cono interno): Es la zona de color oscuro, formada por una mezcla de aire y gases sin quemar.
2. Cono interno: Es donde se inician las reacciones de la combustión.
3. Cono externo: Es la zona más calurosa de la llama, donde se completan los productos de la combustión.

Ejemplos de Ecuaciones de Combustión

• Combustión incompleta del propano: C₃H₈(g) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + C(s) + 4H₂O(g) + calor
• Combustión completa del propano: C₃H₈(g) + 5O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(g) + calor

Colores y Temperaturas Aproximadas de la Llama

• Rojo oscuro: ~500 °C (Zona Fría)
• Rojo: ~700 °C (Entre zona Fría y Reductora)
• Anaranjado: ~1100 °C (Zona Reductora)
• Blanco: ~1500 °C (Zona Oxidante)

Zonas de la Llama por Ubicación

• Puntas:
  • Oxidante superior
  • Reductora superior
• Lados:
  • Zona de mayor temperatura (oxidante inferior)
  • Zona de menor temperatura (reductora inferior)

La Tabla Periódica y Propiedades de los Elementos

La Tabla Periódica de los Elementos es una disposición tabular de los elementos químicos, ordenados por su número atómico (número de protones), su configuración electrónica y sus propiedades químicas.

Metales Alcalinos (Grupo 1)

• Elementos: Litio (Li), Sodio (Na), Potasio (K).
• Reactividad: El potasio (K) es el más reactivo, seguido por el sodio (Na) y, por último, el litio (Li).
• Ejemplos de Reacciones:
  • 2Li + 2H₂O
  • Na + O₂
  • K + H₂O

Metales Alcalinotérreos (Grupo 2)

• Ejemplo de Reacción: 2Mg + O₂
• Observaciones Experimentales:
  • En cada tubo de ensayo, se agregó una sustancia (10 gotas), y luego 10 gotas de H₂SO₄ (ácido sulfúrico). Todas las soluciones resultaron de color blanco.
  • Al añadir etanol, se observaron diferencias en algunas sustancias.

Observaciones Experimentales Adicionales

1. Las reacciones de los metales alcalinos son rápidas y algunas pueden ser violentas.
2. Al añadir fenolftaleína a los alcalinos, las soluciones se tornan de color rosado, indicando un pH básico.
3. El magnesio (Mg), al contacto con el oxígeno y el calor, emite luz (combustión).
4. En las pruebas con sulfatos, el estroncio (Sr), a diferencia del magnesio (Mg) y el calcio (Ca), no es soluble en H₂SO₄ y forma un precipitado de color blanco.
5. En las pruebas con halogenuros, el fluoruro de sodio (NaF) y el cloruro de sodio (NaCl) son incoloros al agregarles hidróxido de amonio. En contraste, el yoduro de potasio (KI) se torna amarillo y el bromuro de potasio (KBr), blanco.
6. El yodo (I₂) y el bromo (Br₂) se liberan, cambiando de color a rojo y blanco respectivamente, después de mezclarlos con Cl₂/H₂O y añadir CS₂. Se observa que el NaCl y NaF cambian ligeramente, siendo solubles.

Reacciones de Halogenuros con Nitrato de Plata

• NaCl + AgNO₃ → AgCl(s) + NaNO₃(aq) (Precipitado de cloruro de plata)
• NaF + AgNO₃ → AgF(aq) + NaNO₃(aq) (Fluoruro de plata soluble)
• KI + AgNO₃ → AgI(s) + KNO₃(aq) (Precipitado de yoduro de plata)
• KBr + AgNO₃ → AgBr(s) + KNO₃(aq) (Precipitado de bromuro de plata)

Conceptos de Estructura Atómica

Elementos Isoelectrónicos

Los elementos isoelectrónicos son aquellos que poseen el mismo número de electrones y, por lo tanto, la misma configuración electrónica.

• Ejemplo:
  • Hierro (Fe): 26 electrones.
  • Ion Níquel (Ni²⁺): El níquel en su estado fundamental posee 28 electrones. El ion Ni²⁺ ha perdido dos electrones, resultando en 26 electrones.
  • Por lo tanto, el Fe y el Ni²⁺ son isoelectrónicos.

Elementos y Compuestos

• Un elemento es una sustancia básica y sencilla (ej. O, Fe, H).
• Un compuesto está formado por dos o más elementos unidos químicamente (ej. H₂O).

Configuración Electrónica y Grupos de la Tabla Periódica

Gases Nobles

Los gases nobles (Grupo 18 o 8A) se caracterizan por su baja reactividad (o inercia química) debido a que poseen una capa de valencia completa.

• Argón (Ar): Z = 18
  • Configuración electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶
  • Electrones de valencia: 2 (en 3s) + 6 (en 3p) = 8 electrones.
• Kriptón (Kr): Z = 36
  • Configuración electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶
  • Electrones de valencia: 2 (en 4s) + 6 (en 4p) = 8 electrones.

La suma de los electrones en su último nivel de energía (electrones de valencia) indica que pertenecen al Grupo 8A, confirmando su clasificación como gases nobles o gases inertes.

Elementos de Transición

• Cromo (Cr): Z = 24
  • Configuración electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹
  • Electrones de valencia: 5 (en 3d) + 1 (en 4s) = 6 electrones.
  • Pertenece al Grupo 6B y al Periodo 4.
• Hierro (Fe): Z = 26
  • Configuración electrónica: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²
  • Electrones de valencia: 6 (en 3d) + 2 (en 4s) = 8 electrones.
  • Pertenece al Grupo 8B y al Periodo 4.