Elementos y compuestos

[Introducción a la química] Sección 4. Conceptos Clave [Elementos y compuestos] [Identificación química] [Cocientes químicos: densidad y masa molar] [Tablas de densidades notables] Otros conceptos [Historia de la química 5. Ciencia de materiales y geopolítica]

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 (H₂O) y el metano (CH₄) son compuestos porque están formados por moléculas compuestas, es decir, entidades que agrupan átomos de diferentes elementos químicos. En el caso del agua, cada molécula está compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, mientras que el metano está formado por un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno. Estos átomos se combinan mediante enlaces covalentes, lo que resulta en sustancias con propiedades diferentes a las de los elementos por separado. Además, ambos compuestos obedecen las proporciones definidas que estableció Proust, ya que siempre se combinan en la misma cantidad de átomos, lo que garantiza la formación de moléculas con una estructura fija y estable.

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 (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) son las únicas sustancias monoatómicas elementales debido a su estructura atómica estable, que no requiere de enlaces con otros átomos para alcanzar la estabilidad. Estos elementos tienen su capa de electrones externa completa, lo que los hace químicamente inertes y tienden a existir como átomos individuales. En cambio, otros elementos como el oxígeno (O₂) o el nitrógeno (N₂) se encuentran en forma de moléculas diatómicas (formadas por dos átomos), debido a que necesitan compartir electrones para alcanzar la estabilidad. Elementos como el fósforo (P₄) o el azufre (S₈) pueden formar moléculas más complejas compuestas por tres o más átomos, debido a sus características estructurales y necesidades de enlace.

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 frontera entre metales y no metales en la tabla periódica se encuentra a lo largo de una línea escalonada que va desde el boro (B) hasta el polonio (Po). Esta línea divide a los metales, que son buenos conductores de electricidad y tienen propiedades como alta densidad, maleabilidad y punto de fusión alto, de los no metales, que son aislantes eléctricos y tienen propiedades como baja densidad y fragilidad. Sin embargo, existen elementos llamados metaloides o semimetales (como el silicio o el arsénico) que tienen características intermedias entre metales y no metales. Estos elementos pueden tener propiedades metálicas y no metálicas, lo que les confiere una comportamiento ambiguo dependiendo de las condiciones.

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.