Introducción al ITBA

Este material pertenece al curso de ingreso del Instituto Tecnológico de Buenos Aires (ITBA), una institución reconocida por su excelencia académica en carreras científicas y tecnológicas. La química forma parte fundamental del plan de estudios para quienes buscan ingresar a carreras como ingeniería, ciencias ambientales y biotecnología.

💡 El ITBA ofrece uno de los programas más completos en química, abarcando desde conceptos básicos hasta aplicaciones prácticas que te prepararán adecuadamente para tus futuros estudios universitarios.

Los temas que veremos en este curso te darán las bases necesarias para comprender fenómenos naturales y procesos industriales desde una perspectiva molecular. ¡Prepárate para descubrir cómo funciona el mundo a nivel atómico!

Índice del Curso

El curso de química está estructurado para cubrir todos los fundamentos necesarios que necesitarás dominar. Comienza con los conceptos básicos sobre átomos y su estructura, avanzando progresivamente hacia temas más complejos como reacciones químicas y química orgánica.

Los temas principales incluyen:

• Conceptos básicos y estructura atómica: Modelos atómicos, configuración electrónica y propiedades periódicas
• Uniones químicas y nomenclatura: Cómo se unen los átomos y cómo nombrar los compuestos resultantes
• Reacciones químicas: Incluyendo estudios de gases, soluciones y reacciones reversibles
• Química específica: Ácidos y bases, reacciones redox y química orgánica

🔍 El orden de los temas está diseñado para construir tu conocimiento de manera progresiva, donde cada tema se apoya en el anterior para un aprendizaje más efectivo.

Esta estructura te permitirá desarrollar una comprensión sólida desde lo básico hasta aplicaciones más avanzadas, preparándote adecuadamente para tus futuros estudios universitarios.

Conceptos Básicos

La química estudia la materia, sus propiedades y transformaciones. Tres leyes fundamentales rigen este estudio: conservación de la materia (no cambia la cantidad de materia durante reacciones), conservación de la energía (la energía no se crea ni destruye, solo se transforma) y la conservación combinada de materia y energía (su cantidad total es constante en el universo).

La materia es todo lo que tiene masa y ocupa espacio, mientras que la energía es la capacidad de realizar trabajo. Las propiedades de la materia pueden ser intensivas (como densidad o punto de fusión, no dependen de la cantidad) o extensivas (como masa o volumen, varían según la cantidad).

Las transformaciones de la materia pueden ser:

• Físicas: No cambia la composición química
• Químicas: Cambia la identidad o composición
• Endotérmicas: Absorben energía
• Exotérmicas: Liberan energía

💡 Una sustancia es materia con composición química definida, mientras que una mezcla contiene dos o más sustancias que mantienen sus identidades individuales.

Los estados de agregación (sólido, líquido y gaseoso) dependen de las fuerzas entre partículas. Las sustancias pueden ser elementos (un solo tipo de átomo) o compuestos (varios elementos unidos químicamente). Las mezclas pueden ser homogéneas (uniformes) o heterogéneas (con propiedades variables en distintos puntos).

Átomos y Estructura Atómica

El átomo es la partícula más pequeña de un elemento que mantiene su identidad química. Está formado por un núcleo de protones (carga positiva) y neutrones (sin carga), rodeado por electrones (carga negativa) en movimiento. Mientras el núcleo mide apenas 10^-15 m, el átomo completo es unas 100.000 veces más grande $10^-10 m$.

La identidad de un elemento está determinada por su número atómico (Z), que equivale al número de protones. El número másico (A) representa la suma de protones y neutrones. Los isótopos son átomos del mismo elemento (igual Z) con diferente número de neutrones (distinta A).

Los modelos atómicos evolucionaron con el tiempo:

• Dalton: Átomos indivisibles e indestructibles
• Rutherford: Átomo con núcleo positivo y electrones en órbita
• Bohr: Electrones en órbitas circulares con niveles de energía definidos
• Mecánico-cuántico: Basado en probabilidades, introduce el concepto de orbital

🔬 El modelo actual $mecánico-cuántico$ no habla de órbitas específicas sino de orbitales: regiones del espacio donde existe mayor probabilidad de encontrar un electrón.

Los electrones en un átomo solo pueden existir en determinados estados de energía (la energía está cuantizada) y absorben o emiten luz cuando cambian de nivel energético. Este comportamiento explica muchas de las propiedades químicas y físicas de los elementos.

Configuración Electrónica

La distribución de electrones en los niveles energéticos de un átomo determina sus propiedades químicas. Esta distribución se describe mediante números cuánticos:

• Principal (n): Indica el nivel energético principal (valores: 1, 2, 3...)
• Secundario (l): Define el subnivel y la forma del orbital (s, p, d, f...)
• Magnético (ml): Indica la orientación espacial del orbital
• Espín (ms): Describe el movimiento del electrón sobre sí mismo $+1/2 o -1/2$

Al describir la configuración electrónica debemos seguir dos principios fundamentales:

1. Principio de exclusión de Pauli: Dos electrones en un mismo átomo no pueden tener idénticos los cuatro números cuánticos
2. Regla de Hund: Antes de ocuparse totalmente un orbital con dos electrones de espín opuestos, primero se semi-ocupan todos los orbitales de un mismo subnivel

📝 El electrón diferencial es el último electrón añadido al pasar de un elemento al siguiente en la tabla periódica y determina muchas de sus propiedades químicas.

Los estados de energía de un átomo pueden ser fundamental (configuración normal), excitado (cuando un electrón salta a un nivel superior de energía) o prohibido (cuando hay más electrones que los permitidos por las reglas cuánticas).

Distribución Electrónica y Tabla Periódica

La tabla periódica está organizada en bloques según los orbitales que se van llenando:

• Bloque s: 2 elementos por nivel (grupos 1 y 2)
• Bloque p: 6 elementos por nivel (grupos 13 a 18)
• Bloque d: 10 elementos por nivel (elementos de transición)
• Bloque f: 14 elementos por nivel (lantánidos y actínidos)

La configuración electrónica externa (CEE) de cada grupo sigue un patrón predecible:

• Grupo 1: ns¹
• Grupo 2: ns²
• Grupos 13-18: ns²np¹⁻⁶
• Elementos de transición: ns²$n-1$d¹⁻¹⁰

Entender estos patrones te ayudará a predecir:

• La reactividad química del elemento
• El tipo de enlaces que puede formar
• Sus propiedades físicas y químicas

💫 La configuración electrónica determina la posición de un elemento en la tabla periódica: los elementos en el mismo grupo tienen configuraciones externas similares.

El bloque s contiene los metales más reactivos, el bloque p incluye metales, no metales y metaloides, mientras que los bloques d y f contienen principalmente metales con propiedades únicas. Esta organización facilita la predicción del comportamiento químico de los elementos.

Propiedades Periódicas

La tabla periódica organiza los elementos según sus propiedades, que varían de manera predecible. Estas variaciones se deben principalmente al efecto apantallamiento (electrones internos "bloqueando" la atracción nuclear) y a la carga nuclear efectiva (atracción real que sienten los electrones externos).

Radio atómico: Disminuye de izquierda a derecha en un período (mayor carga nuclear efectiva) y aumenta de arriba hacia abajo en un grupo (nuevos niveles energéticos).

Energía de ionización: Es la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo. Aumenta de izquierda a derecha en un período y disminuye de arriba hacia abajo en un grupo. Elementos con alta energía de ionización son menos reactivos como metales.

⚡ Cuanto más difícil sea quitarle electrones a un átomo (alta energía de ionización), menor será su carácter metálico y mayor será su estabilidad.

Carácter metálico: Relacionado con la tendencia a ceder electrones. Aumenta de arriba hacia abajo en un grupo y de derecha a izquierda en un período. Los metales más reactivos se encuentran en la esquina inferior izquierda de la tabla.

Afinidad electrónica: Mide la tendencia a ganar electrones. Se hace más negativa de izquierda a derecha en un período y disminuye de arriba hacia abajo en un grupo.

Electronegatividad: Mide la capacidad de un átomo para atraer electrones en un enlace. Aumenta de izquierda a derecha y de abajo hacia arriba, siendo el flúor el elemento más electronegativo (valor 4 en la escala de Pauling).

Uniones Químicas

Las uniones químicas son fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos. Solo participan los electrones de valencia (capas s y p más externas). Estas uniones se representan con la fórmula de Lewis, que muestra los electrones externos usando puntos o líneas alrededor del símbolo del átomo.

La mayoría de los átomos tienden a seguir la regla del octeto: buscan tener 8 electrones en su nivel energético más externo (como los gases nobles). Sin embargo, hay excepciones:

• Octeto incompleto: menos de 8 electrones
• Octeto expandido: más de 8 electrones
• Número impar de electrones

Para crear estructuras de Lewis:

1. Cuenta los electrones de valencia de cada átomo y súmalos
2. Calcula cuántos electrones necesita cada átomo para completar su octeto
3. Determina qué electrones forman enlaces
4. Dibuja la molécula distribuyendo correctamente los electrones

🔗 En las uniones químicas, los átomos intercambian o comparten electrones para alcanzar la configuración electrónica estable de un gas noble.

El número de oxidación indica cuántos electrones un átomo tiende a ceder (positivo) o ganar (negativo) en una unión química. Algunas reglas importantes:

• En sustancias simples el número de oxidación es 0
• El oxígeno generalmente tiene -2
• El hidrógeno generalmente tiene +1
• Elementos del grupo 1: +1
• Elementos del grupo 2: +2
• En compuestos neutros, la suma de los números de oxidación es 0

Iones y Nomenclatura

Los iones son átomos o grupos de átomos que han ganado o perdido electrones, adquiriendo carga eléctrica. Se dividen en:

Cationes: Iones con carga positiva que han perdido electrones. Ejemplos:

• Hidrógeno (H⁺)
• Amonio (NH₄⁺)
• Metales como sodio (Na⁺), calcio (Ca²⁺)
• Iones poliatómicos como nitrosilo (NO⁺)

Aniones: Iones con carga negativa que han ganado electrones. Ejemplos:

• No metales como fluoruro (F⁻)
• Hidróxido (OH⁻)
• Iones poliatómicos como nitrato (NO₃⁻), sulfato (SO₄²⁻)

🧪 Memorizar los iones más comunes te ayudará enormemente a entender las fórmulas químicas y las reacciones, especialmente en química inorgánica.

La carga de un ion se indica como superíndice después de su símbolo (Na⁺). Para iones de metales de transición que pueden formar iones con diferentes cargas, se especifica el número de oxidación con números romanos entre paréntesis: hierro(II) para Fe²⁺ y hierro(III) para Fe³⁺.

Los iones poliatómicos son especialmente importantes en química acuosa, donde forman muchos compuestos comunes. Algunos de los más frecuentes son carbonato (CO₃²⁻), fosfato (PO₄³⁻), sulfato (SO₄²⁻) e hidrogenocarbonato (HCO₃⁻).