Una sustancia pura es un material que está
compuesto por un solo tipo de átomo o molécula, sin ninguna mezcla de otros
componentes. Las sustancias puras pueden clasificarse en elementos y compuestos.
El estudio de la química depende de poder aislar, identificar y registrar
las propiedades de las sustancias puras. Los químicos han aislado y
caracterizado un estimado de 9 millones de sustancias puras y la cifra aumenta
cada fin de semestre. Un número muy pequeño de estas sustancias puras, 118 para
ser exactos, son diferentes de todas las demás. Ellos son los elementos. Todo
el resto, los millones restantes, son compuestos. ¿Qué distingue a un elemento
de un compuesto?
Los elementos son sustancias que no pueden
descomponerse en sustancias más simples mediante reacciones químicas. Están
formados por átomos del mismo tipo, como el oxígeno (O), el hidrógeno
(H) o el oro (Au). Por otro lado, los compuestos son
sustancias formadas por la combinación de dos o más elementos químicos en
proporciones fijas, unidos por enlaces químicos. Un ejemplo común de compuesto
es el agua (H₂O), que está formada por dos átomos de hidrógeno y
uno de oxígeno. La distinción entre elementos y compuestos es fundamental para
entender las interacciones químicas y las propiedades de los materiales.
Compuestos
Un compuesto es una sustancia pura que se puede
descomponer en dos o más sustancias puras más simples por medios químicos. El
agua es un compuesto. Por medio de una corriente eléctrica, el agua se puede
descomponer en los gases hidrógeno y oxígeno, que son elementos. Los mayores
productos de descomposición para cualquier compuesto son elementos.
Figura
1. El agua
y el metano son compuestos químicos formados por moléculas
con enlaces covalentes entre átomos de distintos elementos. Obedecen la ley
de las proporciones definidas, lo que asegura estructuras estables y
propiedades únicas. Estas sustancias ilustran principios clave de la química
física, como la estructura molecular, la estabilidad energética
y el comportamiento predecible de la materia.
Las propiedades de un compuesto son siempre diferentes de
las de sus elementos componentes, porque los elementos se combinan químicamente
en lugar de combinarse físicamente en el compuesto. Aunque dos o más elementos
se obtienen de la descomposición de los compuestos, los compuestos no
son mezclas. ¿Por qué esto es tan? Las sustancias se pueden combinar física
o químicamente. La combinación física de sustancias produce una mezcla. La
combinación química de sustancias produce un compuesto, una sustancia en la que
las entidades que se combinan están unidas. No se produce dicha unión durante
la combinación física.
Los compuestos están formados por moléculas
compuestas, que son entidades formadas por la unión de átomos de diferentes
elementos químicos. Estos átomos, al unirse, forman estructuras que tienen
propiedades distintas a las de los átomos por separado. La combinación de los
elementos sigue generalmente las proporciones definidas por la ley de
las proporciones definidas de Proust, que establece que en un compuesto los
elementos siempre se combinan en una relación fija y constante de masas. Sin
embargo, esta regla no se aplica en todos los casos, ya que existen compuestos
que pueden tener variaciones en sus proporciones dependiendo de condiciones
específicas, como las mezclas sólidas o ciertos compuestos
iónicos.
Elementos
Un elemento es una sustancia pura que
está formada por átomos de un solo tipo, todos con propiedades químicas
constantes. Sin embargo, este concepto es distinto al de un átomo de un
elemento, que hace referencia a una unidad indivisible con propiedades
químicas definidas. Un mismo tipo de átomo puede generar diferentes materiales
elementales en forma de moléculas elementales, como es el
caso del dioxígeno (O₂) y el ozono (O₃). Ambos
están formados por átomos de oxígeno, pero sus propiedades son muy distintas.
El dioxígeno es esencial para la respiración y la combustión,
mientras que el ozono actúa como un protector de la atmósfera,
absorbiendo radiación ultravioleta. Así, aunque ambos son compuestos de
oxígeno, sus propiedades materiales y sus funciones son claramente
diferenciadas.
Los alotrópos son diferentes materiales
elementales formados por un mismo tipo de átomo, pero que adoptan distintas
estructuras moleculares, lo que les confiere propiedades muy distintas. Un
ejemplo claro de alotropía es el carbono, que puede existir en
varias formas alotrópicas, como el diamante, el grafito y
el fullereno. En el diamante, los átomos de carbono
están dispuestos en una estructura tridimensional extremadamente fuerte, lo que
le otorga una dureza incomparable. En el grafito, los átomos de
carbono se organizan en capas planas, lo que permite que las capas se deslicen
fácilmente unas sobre otras, otorgándole propiedades de lubricante. El fullereno,
por otro lado, forma moléculas esféricas o cilíndricas. A pesar de ser todos
ellos formas de carbono, sus propiedades físicas y químicas son profundamente
diferentes debido a la disposición de los átomos.
Figura
2. Los gases
nobles son los únicos elementos que existen como átomos individuales
gracias a su estructura electrónica estable e inercia química. En
contraste, elementos como el oxígeno y el nitrógeno forman moléculas
diatómicas, y otros como el fósforo o el azufre, moléculas
poliatómicas, debido a sus necesidades de enlace y su configuración
electrónica.
La identidad química de un átomo está
vinculada a la carga positiva en su núcleo, es decir, al número
de protones presentes en el núcleo, conocido como el número
atómico. Este número determina a qué elemento pertenece el átomo y, por
tanto, sus propiedades químicas. Otros factores, como el número de neutrones o electrones,
pueden variar sin alterar la identidad química del átomo. Por ejemplo, los
átomos de un mismo elemento, como el carbono, pueden tener diferentes isótopos,
es decir, distintas cantidades de neutrones, pero todos ellos siguen siendo
carbono porque su número atómico (su carga nuclear) sigue siendo el mismo.
Además, la ionización del átomo (la pérdida o ganancia de
electrones) tampoco cambia su identidad química, solo su carga eléctrica.
Actualmente, la tabla periódica consta
de 118 elementos confirmados, con el oganésón (Og) siendo
el elemento de número atómico 118, el más pesado descubierto hasta la fecha.
Sin embargo, muchas tablas periódicas comerciales que se
utilizan en materiales educativos y de consulta mantienen formas más hipotéticas de
la tabla, particularmente al referirse a los elementos con números atómicos
superiores al 118. Por ejemplo, el elemento con número atómico 118 se ha
denominado en algunas tablas como unoctio (Uuo), en lugar de su
nombre oficial oganésón (Og). Esto ocurre porque muchas de estas
tablas fueron creadas antes de la confirmación oficial de los elementos más
recientes, o bien porque los cambios en la nomenclatura no se han actualizado
en todos los recursos disponibles al público.
Figura
3. La línea
escalonada de la tabla periódica separa metales, con alta conductividad
y maleabilidad, de no metales, que son frágiles e aislantes
eléctricos. En medio se ubican los metaloides, como el silicio
o el arsénico, con propiedades intermedias. Su comportamiento
depende de las condiciones, lo que los hace esenciales en la tecnología de
semiconductores.
La mayoría de los elementos de la tabla
periódica son metales, lo que les otorga propiedades
características como buena conducción de calor y electricidad, maleabilidad (capacidad
de ser moldeados) y ductilidad (capacidad de estirarse en
hilos). Los metales ocupan gran parte de la tabla periódica,
particularmente en los grupos 1, 2 y en las tres primeras series de transición
(incluyendo las tierras raras). Solo unos pocos elementos son no
metales, como el oxígeno (O), el nitrógeno (N),
el carbono (C) y los gases nobles, que tienen propiedades como
la baja conductividad y la fragilidad. La división
entre metales y no metales es una de las más notables en la tabla periódica, y
estos grupos presentan una diferencia fundamental en sus propiedades
químicas y físicas.
Referencias
Brown, T.
L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., & Lancaster, M. (2022). Chemistry:
The central science (15th ed.). Pearson.
Chang, R.
(2021). Chemistry: The central science (14th ed.). Pearson.
Seager, S. (2022). Chemistry for today: General, organic, and biochemistry (10th ed.). Cengage Learning.
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