IGCSE Química

Todo a tu alrededor está hecho de pequeñas partículas — estas pueden ser átomos, moléculas o iones. La teoría cinética de las partículas dice que estas partículas están siempre en movimiento. Qué tan cerca están las partículas, cómo están dispuestas y cómo se mueven determina si la materia es un sólido, un líquido o un gas.

Propiedades que puedes observar

No necesitas un microscopio para distinguir los tres estados. Se comportan de manera diferente:

• Un sólido tiene una forma fija y un volumen fijo. No fluye y no se lo puede comprimir (aplastar para hacerlo más pequeño).
• Un líquido tiene un volumen fijo pero no tiene forma fija. Fluye y adopta la forma de su recipiente. Es casi imposible de comprimir.
• Un gas no tiene forma fija ni volumen fijo. Fluye y se expande para llenar todo el recipiente. Un gas es fácil de comprimir.

La tabla a continuación resume estas propiedades. La densidad significa cuánto masa está empaquetada en un volumen dado.

El modelo de partículas

La teoría cinética de las partículas explica estas propiedades al mirar tres cosas: la separación de las partículas (qué tan separadas están), su disposición (el patrón) y su movimiento (cómo se mueven).

Las fuertes fuerzas de atracción mantienen unidas a las partículas. En un sólido estas fuerzas son lo suficientemente fuertes como para mantener cada partícula en su lugar, por lo que un sólido mantiene su forma. En un líquido las fuerzas son más débiles, por lo que las partículas pueden moverse. En un gas las partículas se mueven tan rápido que las fuerzas apenas actúan, por lo que el gas se expande.

Cuando calientas o enfrías una sustancia, puede cambiar de un estado a otro. Debes conocer el nombre de cada cambio.

Un sólido puro funde a una temperatura fija, el punto de fusión. Un líquido puro hierve a una temperatura fija, el punto de ebullición. La misma sustancia se congela en su punto de fusión y se condensa en su punto de ebullición.

Algunas sustancias cambian directamente de sólido a gas sin fundirse primero. Esto se llama sublimación. En la foto de abajo, el yodo sólido calentado en un vaso de precipitados se convierte directamente en un gas púrpura; luego el gas se enfría en el matraz redondo con hielo de arriba y vuelve a convertirse en sólido.

Explicando los cambios de estado con la teoría de las partículas

Cada cambio de estado es realmente un cambio en la energía de las partículas.

• Cuando calientas un sólido, las partículas ganan energía y vibran más rápido. En el punto de fusión, las partículas tienen suficiente energía para separarse de sus posiciones fijas y deslizarse — el sólido se funde.
• Cuando calientas un líquido, las partículas se mueven más rápido. En el punto de ebullición tienen suficiente energía para escapar completamente de las fuerzas de atracción y convertirse en gas.
• El enfriamiento hace lo contrario. Las partículas pierden energía, se mueven más despacio y las fuerzas de atracción las vuelven a juntar.

Durante un cambio de estado, la energía se destina a romper las fuerzas de atracción, no a hacer que las partículas se muevan más rápido. Por eso la temperatura permanece constante mientras una sustancia se funde o hierve.

Curvas de calentamiento y enfriamiento

Una curva de calentamiento es una gráfica de temperatura contra tiempo mientras calientas una sustancia de manera constante. Una curva de enfriamiento es la misma gráfica cuando la sustancia se enfría.

En una curva de calentamiento hay dos partes planas (horizontales):

• La primera parte plana está en el punto de fusión. Aquí coexisten el sólido y el líquido. La energía calorífica rompe las fuerzas que mantienen unido al sólido, por lo que la temperatura no sube.
• La segunda parte plana está en el punto de ebullición. Aquí coexisten el líquido y el gas, y la temperatura nuevamente se mantiene constante.

Una curva de enfriamiento es el reverso. Tiene una parte plana en el punto de ebullición (el gas se condensa) y una parte plana en el punto de fusión (el líquido se congela). A medida que las partículas disminuyen su velocidad, la energía térmica se libera al entorno.

Un gas empuja contra las paredes de su recipiente. Este empuje, distribuido sobre el área de la pared, es la presión del gas. La presión proviene de las partículas del gas golpeando las paredes.

Efecto de la temperatura

Si calientas una masa fija de gas manteniendo la presión constante, su volumen aumenta.

Usando la teoría de las partículas: calentar da a las partículas más energía cinética, así que se mueven más rápido. Golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia. Para mantener la presión constante, el gas debe ocupar más espacio, por lo que el volumen se hace más grande.

Si en cambio el volumen es fijo (un recipiente sellado y rígido), calentar el gas hace que la presión aumente, porque las partículas más rápidas chocan contra las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia.

Efecto de la presión

Si aumentas la presión sobre una masa fija de gas manteniendo la temperatura constante, su volumen disminuye. Comprimir el gas en un espacio más pequeño significa que las partículas golpean las paredes con más frecuencia, lo cual es lo que significa una presión mayor.

La difusión es la expansión de partículas desde una región donde están agrupadas hacia una región donde están dispersas — es decir, de alta concentración a baja concentración. Ocurre porque las partículas están siempre moviéndose en direcciones aleatorias.

La difusión explica por qué puedes oler comida desde el otro lado de una habitación: las partículas del olor se mueven y se mezclan con el aire hasta llegar a tu nariz. La difusión ocurre en gases y líquidos, pero no en sólidos, porque las partículas sólidas no pueden moverse de un lugar a otro.

Velocidad de difusión y masa molecular

Las partículas de gas más ligeras se mueven más rápido que las más pesadas a la misma temperatura. Por lo tanto, un gas con una masa molecular relativa menor (una masa menor para cada molécula) tiene una velocidad de difusión más rápida.

Un experimento clásico lo demuestra. Algodón empapado en amoníaco ($\text{NH}_3$) se coloca en un extremo de un tubo largo de vidrio. Algodón empapado en cloruro de hidrógeno ($\text{HCl}$) se coloca en el otro extremo. Ambos gases se difunden a lo largo del tubo y se encuentran para formar un anillo blanco de cloruro de amonio ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

El amoníaco tiene $M_r = 17$ y el cloruro de hidrógeno tiene $M_r = 36.5$. El amoníaco es más ligero, por lo que se difunde más rápido y recorre una mayor distancia a lo largo del tubo. El anillo blanco se forma más cerca del extremo del cloruro de hidrógeno.

Ejemplo resuelto. El bromo ($M_r = 160$) y el amoníaco ($M_r = 17$) se liberan simultáneamente en extremos opuestos de un tubo largo. ¿Cuál viaja más lejos antes de encontrarse? Compara las masas moleculares relativas. El $M_r$ del amoníaco es mucho menor, por lo que sus moléculas se mueven más rápido a la misma temperatura y se difunden más rápidamente. Por lo tanto, el amoníaco viaja una mayor distancia, y los dos gases se encuentran más cerca del extremo del bromo. La regla es siempre "más ligero significa más rápido" — argumenta basándote en el $M_r$, nunca en el tamaño de la fórmula en papel.

• Durante la fusión y la ebullición, la temperatura se mantiene constante (las partes planas de una curva de calentamiento), porque la energía rompe las fuerzas entre las partículas en lugar de hacer que se muevan más rápido.
• La evaporación ocurre solo en la superficie y a cualquier temperatura; la ebullición ocurre en toda la masa líquida a una temperatura fija.
• Explica el comportamiento de los gases con la teoría de las partículas: calentar un gas a volumen fijo aumenta la presión porque las partículas golpean las paredes con más fuerza y con mayor frecuencia — las propias partículas no se hacen más grandes.
• La difusión es más rápida para partículas más ligeras (menor $M_r$) y no puede ocurrir en sólidos. En el tubo de amoníaco/cloruro de hidrógeno, el amoníaco más ligero viaja más lejos, por lo que el anillo blanco se forma más cerca del extremo del HCl.

Todas las sustancias están formadas por unos 100 bloques de construcción simples. Conocer cómo se unen permite clasificar cada sustancia en uno de tres grupos.

• Un elemento 元素 es una sustancia formada por un solo tipo de átomo 原子. No se puede descomponer en nada más simple mediante una reacción química. Ejemplos: cobre, oxígeno, carbono.
• Un compuesto 化合物 está formado por dos o más elementos unidos químicamente (enlazados) entre sí. Los átomos se unen en una proporción fija. Ejemplos: agua, dióxido de carbono. Un compuesto tiene propiedades diferentes a las de los elementos que lo componen.
• Una mezcla 混合物 es la combinación de dos o más sustancias que simplemente se mezclan, sin estar unidas químicamente. Las partes conservan sus propias propiedades y pueden separarse mediante métodos físicos. Ejemplo: el aire.

La diferencia clave: en un compuesto, los elementos están enlazados y solo pueden separarse mediante reacciones químicas; en una mezcla, no están enlazados y son fáciles de separar.

Dentro del átomo

Cada átomo tiene un centro pequeño y denso llamado núcleo 原子核. A su alrededor, los electrones 电子 se mueven en capas 电子层 (niveles de energía). El núcleo contiene dos tipos de partículas: protones 质子 y neutrones 中子.

Cada partícula tiene una masa relativa y una carga relativa. Debes aprender estos valores:

Un átomo no tiene carga neta porque tiene un número igual de protones ($+1$ cada uno) y electrones ($-1$ cada uno).

Número de protones y número másico

Dos números describen un átomo:

• El número de protones (también llamado número atómico) es el número de protones en el núcleo. Te indica qué elemento es el átomo.
• El número másico (también llamado número de nucleones) es el número total de protones y neutrones en el núcleo.

Por lo tanto, el número de neutrones $=$ número másico $-$ número atómico.

Configuración electrónica

Los electrones ocupan las capas desde el interior hacia el exterior. La primera capa contiene hasta 2 electrones; las siguientes capas contienen hasta 8 cada una (para los primeros 20 elementos). La configuración electrónica 电子排布 indica cuántos electrones hay en cada capa, comenzando desde la interna.

Por ejemplo, un átomo con 13 electrones tiene la configuración $2,8,3$. El sodio (número atómico 11) es $2,8,1$. El calcio (número atómico 20) es $2,8,8,2$.

La configuración se relaciona con la Tabla Periódica 周期表:

• Un número de Grupo 族 (Grupos I a VII) equivale al número de electrones en la capa externa. Por lo tanto, $2,8,1$ está en el Grupo I.
• Un número de Período 周期 equivale al número de capas que contienen electrones. Por lo tanto, $2,8,1$ tiene tres capas, por lo que está en el Período 3.
• Los gases nobles 稀有气体 del Grupo VIII (o 0) tienen una capa externa completa, lo que los hace muy poco reactivos.

Isótopos 同位素 son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Debido a que el número de protones es el mismo, son el mismo elemento. Debido a que el número de neutrones es diferente, tienen diferentes números másicos.

Se escribe un átomo con su número másico arriba y su número atómico (número de protones) abajo, como $^{12}_{6}\text{C}$. Para un ion, se añade la carga, como $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. Esto se debe a que las reacciones químicas solo involucran electrones, y los isótopos tienen el mismo número de electrones y la misma configuración electrónica. (Los neutrones adicionales solo cambian la masa).

Cálculo de la masa atómica relativa

La masa atómica relativa 相对原子质量 ($A_r$) de un elemento es la masa promedio de sus átomos, teniendo en cuenta qué tan común es cada isótopo. La abundancia 丰度 es el porcentaje de cada isótopo.

Por ejemplo, el cloro es 75% $^{35}\text{Cl}$ y 25% $^{37}\text{Cl}$:

Ejemplo resuelto. El boro tiene dos isótopos, $^{10}\text{B}$ y $^{11}\text{B}$, y su $A_r$ es 10.8. Encuentre el porcentaje de cada uno. Sea la abundancia de $^{11}\text{B}$ igual a $x$, entonces la abundancia de $^{10}\text{B}$ es $(100 - x)$. Entonces

por lo tanto $11x + 1000 - 10x = 1080$, dando como resultado $x = 80$. El boro es 80% $^{11}\text{B}$ y 20% $^{10}\text{B}$. Compruébalo con el sentido común: 10.8 está más cerca de 11, por lo que el isótopo más pesado debe ser el más común. Si tu respuesta asigna la mayoría al isótopo más alejado de $A_r$, los tienes invertidos.

Un ion 离子 es un átomo (o grupo de átomos) que ha perdido o ganado electrones, por lo que tiene una carga eléctrica.

• Un átomo metálico pierde electrones para formar un ion positivo, llamado catión 阳离子.
• Un átomo no metálico gana electrones para formar un ion negativo, llamado anión 阴离子.

Los átomos hacen esto para tener una capa externa completa, como un gas noble.

Cómo se forma un enlace iónico

Un enlace iónico es una fuerte atracción electrostática entre iones de carga opuesta (un ion $+$ y un ion $-$ se atraen).

Los enlaces iónicos se forman entre un metal 金属 y un no metal 非金属. Tomemos el cloruro de sodio, $\text{NaCl}$. El sodio ($2,8,1$) cede su único electrón externo al cloro ($2,8,7$). Ahora el sodio es $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) y el cloro es $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Ambos tienen capas externas completas y las cargas opuestas se atraen.

Puedes representar esto con un diagrama de puntos y cruces: dibuja los electrones de la capa externa de cada átomo como puntos para un elemento y cruces para el otro, luego muestra el movimiento del electrón desde el metal hacia el no metal.

Estructura y propiedades de los compuestos iónicos

Un compuesto iónico 离子化合物 no está formado por moléculas 分子 separadas. Los iones se empaquetan en una red gigante 晶格 —un patrón regular de inmensas cantidades de iones positivos y negativos alternados 交替.

Esta estructura explica sus propiedades:

Un enlace covalente 共价键 se forma cuando dos átomos comparten un par de electrones. Al compartir, cada átomo obtiene una capa externa completa (configuración de gas noble). Los enlaces covalentes se forman entre átomos no metálicos.

Algunas moléculas que debes conocer:

• $\text{H}_2$ — dos átomos de hidrógeno comparten un par de electrones (un enlace simple).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — cada uno comparte un par.
• $\text{H}_2\text{O}$ — el oxígeno comparte un par con cada uno de dos átomos de hidrógeno.
• $\text{NH}_3$ — el nitrógeno comparte un par con cada uno de tres átomos de hidrógeno.
• $\text{CH}_4$ — el carbono comparte un par con cada uno de cuatro átomos de hidrógeno.
• $\text{O}_2$ y $\text{CO}_2$ tienen enlaces dobles (dos pares compartidos); $\text{N}_2$ tiene un enlace triple (tres pares compartidos); $\text{C}_2\text{H}_4$ y $\text{CH}_3\text{OH}$ también utilizan pares compartidos.

En un diagrama de puntos y cruces para una molécula, dibujas los electrones externos de cada átomo y muestras qué pares están compartidos en la superposición entre los átomos.

Propiedades de los compuestos moleculares simples

Estas sustancias están formadas por moléculas pequeñas y separadas.

• Tienen puntos de fusión y ebullición bajos. Los enlaces covalentes dentro de cada molécula son fuertes, pero las fuerzas intermoleculares 分子间作用力 (las fuerzas entre una molécula y la siguiente) son débiles, por lo que se necesita poca energía para separar las moléculas.
• Son malos conductores de electricidad, porque las moléculas no tienen carga neta ni electrones libres ni iones para transportar carga.

Algunas sustancias covalentes no son moléculas pequeñas. En cambio, millones de átomos están unidos mediante enlaces covalentes en una sola estructura covalente gigante 巨型共价结构. Las dos que debes conocer son ambas formas del carbono.

Diamante 金刚石: cada átomo de carbono está enlazado a otros cuatro átomos de carbono. Esto forma una red muy fuerte y rígida 3-D. El diamante es extremadamente duro, por lo que se utiliza en herramientas de corte 切割工具.

Grafito 石墨: cada átomo de carbono está unido solo a otros tres, formando capas planas 层. Hay fuerzas débiles entre las capas, por lo que estas pueden deslizarse unas sobre otras; esto hace que el grafito sea un buen lubricante 润滑剂. El cuarto electrón externo de cada átomo de carbono es libre; estos electrones deslocalizados 离域电子 pueden moverse, por lo que el grafito conduce electricidad y se usa como electrodo 电极.

Óxido de silicio(IV) 二氧化硅 ($\text{SiO}_2$) tiene una estructura covalente gigante similar al diamante, por lo que también es muy duro y tiene un punto de fusión muy alto.

Un metal es una estructura gigante de iones positivos rodeados por un 'mar' de electrones deslocalizados que están libres para moverse por todo el metal. El enlace metálico 金属键 es la fuerte atracción electrostática entre estos iones positivos y el mar de electrones.

Esto explica dos propiedades clave de los metales:

• Buena conductividad eléctrica: los electrones deslocalizados están libres para moverse y transportar carga a través del metal.
• Maleabilidad 展性 (se puede martillar hasta formar láminas) y ductilidad 延性 (se puede estirar hasta formar hilos): las capas de iones positivos pueden deslizarse unas sobre otras sin romper el enlace metálico, por lo que el metal cambia de forma en lugar de astillarse.

• Número de neutrones = número másico − número atómico. El número atómico es lo que determina de qué elemento es un átomo.
• Los isótopos tienen las mismas propiedades químicas porque las reacciones involucran solo electrones, y los isótopos comparten la misma configuración electrónica; solo difiere la masa.
• Relaciona estructura con propiedades: iónico = red gigante (alto punto de fusión; solo conduce cuando está fundido o en disolución acuosa); molecular simple = fuerzas débiles entre moléculas (punto de fusión bajo; no conduce); covalente gigante = muy duro, punto de fusión muy alto.
• El grafito conduce y es resbaladizo (un electrón libre por carbono; capas deslizables); el diamante no hace ninguna de las dos cosas (los cuatro electrones están unidos, por lo que es duro y no conductor). Los metales conducen y se doblan gracias al mar de electrones deslocalizados.
• Para la masa atómica relativa, toma el promedio ponderado: $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.

Una fórmula 化学式 muestra qué átomos 原子 hay en una sustancia y cuántos hay de cada uno. Hay dos tipos de fórmulas que debes conocer.

• La fórmula molecular 分子式 es el número real de cada átomo en una molécula 分子. Para la glucosa, es $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
• La fórmula empírica 实验式 es la proporción más simple de números enteros de los átomos 原子 o los iones 离子 en un compuesto 化合物. Para la glucosa, es $\text{CH}_2\text{O}$.

Determinar una fórmula

Si te dan un modelo o diagrama, simplemente cuenta los átomos de cada elemento y escríbelos como una fórmula.

Para un compuesto iónico 离子化合物, puedes deducir la fórmula a partir de las cargas de los iones. La carga positiva total debe equilibrar la carga negativa total, porque el compuesto no tiene carga neta. Algunos iones comunes:

Por ejemplo, para $\text{Na}^{+}$ y $\text{O}^{2-}$: necesitas dos $\text{Na}^{+}$ para equilibrar un $\text{O}^{2-}$, por lo tanto, la fórmula es $\text{Na}_2\text{O}$.

Una ecuación muestra cómo los reactivos 反应物 (las sustancias iniciales) se transforman en productos 生成物 (las sustancias formadas).

• Una ecuación con nombres 文字方程式 utiliza nombres: magnesio + oxígeno → óxido de magnesio.
• Una ecuación simbólica 化学方程式 utiliza fórmulas y debe estar balanceada 配平 — el mismo número de cada átomo en ambos lados.

Añades símbolos de estado 状态符号 entre paréntesis para indicar el estado físico: $(s)$ sólido, $(l)$ líquido, $(g)$ gas, y $(aq)$ para acuoso 水溶液 (disuelto en agua).

Ecuaciones iónicas

Una ecuación iónica 离子方程式 muestra solo los iones que realmente cambian. Los iones que son iguales en ambos lados son iones espectadores 旁观 ion y se omiten. Por ejemplo, cuando un ácido reacciona con una base:

La masa atómica relativa 相对原子质量 ($A_r$) de un elemento 元素 es la masa promedio 质量 de sus átomos en comparación con $\tfrac{1}{12}$ de la masa de un átomo de $^{12}\text{C}$.

La masa molecular relativa 相对分子质量 ($M_r$) es la suma de las masas atómicas relativas de todos los átomos en la molécula. Para compuestos iónicos usamos la masa fórmula relativa 相对式量, que se encuentra de la misma manera a partir de la fórmula.

Masas reactivas por proporción simple

A veces puedes encontrar una masa reactiva sin usar el mol. Si 24 g de magnesio producen 40 g de óxido de magnesio, entonces 12 g de magnesio (la mitad) producen 20 g de óxido de magnesio.

El mol 摩尔 (símbolo mol) es la unidad para la cantidad de sustancia 物质的量. Un mol de cualquier sustancia contiene $6.02 \times 10^{23}$ partículas 粒子 (átomos, iones o moléculas). Este número es la constante de Avogadro 阿伏伽德罗常数.

La masa molar 摩尔质量 es la masa de un mol, en gramos por mol (g/mol). Su valor numérico es el mismo que el $A_r$ o el $M_r$. La relación clave es:

Ejemplo resuelto. ¿Cuántos moles hay en 36 g de agua? Masa molar del agua $= 18$ g/mol.

Para encontrar el número de partículas, multiplica los moles por la constante de Avogadro.

Volumes of gases

A temperatura y presión ambiente (r.t.p.), un mol de cualquier gas ocupa el mismo volumen 体积. Este volumen molar gaseoso 摩尔气体体积 es $24 \text{ dm}^3$.

Ejemplo resuelto. ¿Qué volumen ocupa $0.25$ mol de dióxido de carbono a r.t.p.?

Concentración de soluciones

La concentración 浓度 de una solución 溶液 puede expresarse en $\text{g/dm}^3$ o en $\text{mol/dm}^3$.

Recuerda convertir el volumen: $1 \text{ dm}^3 = 1000 \text{ cm}^3$, así que divide un volumen en $\text{cm}^3$ entre 1000.

La mayoría de los cálculos siguen los mismos pasos: convierte la cantidad conocida a moles, usa la ecuación balanceada para encontrar los moles de lo que deseas, luego vuelve a convertir a masa, volumen o concentración.

Ejemplo resuelto. ¿Qué masa de óxido de magnesio se forma cuando 12 g de magnesio arden completamente? $2\text{Mg} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{MgO}$. ($A_r$: Mg $= 24$, O $= 16$.)

Moles de Mg $= 12 / 24 = 0.5$ mol. La proporción Mg : MgO es $1 : 1$, por lo tanto se forman $0.5$ mol de MgO. Su masa molar es $24 + 16 = 40$ g/mol, así que la masa es $0.5 \times 40 = 20$ g — la misma respuesta que el método de proporción simple anterior.

Reactivo limitante

Cuando se mezclan dos reactivos, a menudo uno se agota primero. Este es el reactivo limitante 限量反应物. Decide cuánta producto puede formarse; cualquier otro reactivo está en exceso (sobra).

Ejemplo resuelto. 8 g de hidrógeno reaccionan con 8 g de oxígeno: $2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$. ¿Cuál es el reactivo limitante y qué masa de agua se forma? ($A_r$: H $= 1$, O $= 16$.)

Moles of $\text{H}_2 = 8 / 2 = 4$ mol; moles of $\text{O}_2 = 8 / 32 = 0.25$ mol. La ecuación necesita $2\text{H}_2$ por cada uno $\text{O}_2$, así que $0.25$ mol de $\text{O}_2$ reaccionan con solo $0.5$ mol de $\text{H}_2$. Hay mucho más hidrógeno que eso, así que el oxígeno es el reactivo limitante y el hidrógeno está en exceso. El oxígeno produce $2 \times 0.25 = 0.5$ mol de agua, así que la masa es $0.5 \times 18 = 9$ g. Siempre trabaje en moles, no en masas — el reactivo con menor masa no siempre es el que se agota.

Cálculo de titulación

En una titulación 滴定, se mide el volumen de una solución que reacciona con otra. A partir del volumen y la concentración, se calculan los moles de un soluto 溶质, y luego se usa la proporción estequiométrica de la ecuación para encontrar los moles, la concentración o el volumen de la otra sustancia.

Ejemplo resuelto. $25.0 \text{ cm}^3$ de solución de hidróxido de sodio son neutralizados exactamente por $20.0 \text{ cm}^3$ de ácido clorhídrico $0.10 \text{ mol/dm}^3$. $\text{NaOH} + \text{HCl} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$. Encuentre la concentración del hidróxido de sodio.

Moles de HCl $= 0.10 \times \dfrac{20.0}{1000} = 0.0020$ mol. La relación es $1 : 1$, por lo que hay $0.0020$ mol de NaOH en $25.0 \text{ cm}^3$:

Fórmulas empíricas y moleculares a partir de datos

Para encontrar una fórmula empírica a partir de masas o porcentajes:

1. Divide la masa (o %) de cada elemento por su $A_r$.
2. Divide todas las respuestas entre el más pequeño para obtener la relación más simple.

Para encontrar la fórmula molecular, compara la masa de la fórmula empírica con la $M_r$ real y multiplica.

Ejemplo resuelto. Un compuesto contiene $40\%$ calcio, $12\%$ carbono y $48\%$ oxígeno en masa. Encuentra su fórmula empírica. ($A_r$: Ca $= 40$, C $= 12$, O $= 16$.)

Divide cada porcentaje por su $A_r$: Ca $= 40/40 = 1$, C $= 12/12 = 1$, O $= 48/16 = 3$. La proporción es $1 : 1 : 3$, por lo que la fórmula empírica es $\text{CaCO}_3$.

Porcentajes

• El rendimiento porcentual compara cuántos productos obtuviste realmente con la cantidad máxima que podrías haber obtenido: $\dfrac{\text{actual}}{\text{theoretical}} \times 100$.
• Composición porcentual en masa 质量分数 de un elemento $= \dfrac{\text{mass of the element}}{M_r} \times 100$.
• Pureza porcentual 纯度 $= \dfrac{\text{mass of pure substance}}{\text{mass of impure sample}} \times 100$.

Ejemplo resuelto. Encuentre el porcentaje en masa de nitrógeno en el nitrato de amonio, $\text{NH}_4\text{NO}_3$. ($A_r$: N $= 14$, H $= 1$, O $= 16$.)

$M_r = (2 \times 14) + (4 \times 1) + (3 \times 16) = 80$. La masa del nitrógeno es $2 \times 14 = 28$, por lo tanto

Ejemplo resuelto. Una reacción podría producir como máximo 5.0 g de producto, pero solo se recogen realmente 4.0 g. Calcula el rendimiento porcentual.

Siempre se pierde algo de producto —se queda en el equipo o se consume en reacciones secundarias—, por lo que el rendimiento casi nunca $100\%$.

Ejemplo resuelto. Una muestra de 50 g de carbonato de calcio impuro contiene 45 g de carbonato de calcio puro. Encuentre su pureza porcentual.

• Convierta siempre las masas, los volúmenes de gas y las concentraciones a moles primero, use la proporción de la ecuación balanceada y luego convierta de nuevo. Nunca compare masas directamente a través de una ecuación.
• Fórmulas clave: $n = \dfrac{\text{mass}}{M_r}$, volumen de gas $= n \times 24\ \text{dm}^3$ a c.a.t., y concentración $= \dfrac{n}{\text{volume in dm}^3}$. Cambie cm³ a dm³ dividiendo entre 1000.
• Para balancear una ecuación simbólica solo puede cambiar los números grandes delante de una fórmula, nunca los subíndices pequeños dentro de ella.
• El reactivo limitante es el que se agota (menor número de moles una vez considerada la proporción); este determina cuánto producto se forma. El otro reactivo está en exceso.
• Rendimiento porcentual = real ÷ teórico × 100; pureza porcentual = masa de sustancia pura ÷ masa de la muestra × 100. Ambos son siempre 100 % o menos.

Electrolisis es la descomposición de un compuesto iónico — cuando está fundido o en solución acuosa — mediante el paso de una corriente eléctrica a través de él.

Solo funciona cuando la sustancia está fundida o disuelta, porque entonces los iones están libres para moverse y transportar la carga. Un compuesto iónico sólido no puede ser electrolizado porque sus iones están fijos en su lugar.

La celda electrolítica

El montaje se llama celda electrolítica. Dos electrodos (conductores sólidos) se sumergen en el electrolito — la sustancia fundida o acuosa que se está descomponiendo.

• El ánodo es el electrodo positivo ($+$).
• El cátodo es el electrodo negativo ($-$).

Los electrodos suelen ser inertes (no reaccionan), como el platino o el carbono/grafito.

Lo que se forma en cada electrodo

Existe una regla simple:

• Se forman metales o hidrógeno en el cátodo.
• Se forman no metales (distintos del hidrógeno) en el ánodo.

Para soluciones acuosas, el producto puede depender de si la solución es diluida o concentrada. Aquí están los tres ejemplos fundamentales:

Ejemplo resuelto. Prediga los productos de la electrolisis del cloruro de zinc fundido, $\text{ZnCl}_2$. Al estar fundido, solo hay iones de zinc y iones de cloruro presentes; no hay agua que complique las cosas. El zinc es un metal, por lo que se forma en el cátodo: los iones $\text{Zn}^{2+}$ ganan electrones y aparece zinc plateado. El cloro es un no metal, por lo que se forma en el ánodo: burbujas de gas cloro verde pálido. Siempre revise primero el estado físico. Un compuesto fundido simplemente te da sus dos elementos, mientras que uno acuoso introduce al agua en la competencia — razón por la cual la solución concentrada de cloruro sódico produce hidrógeno en el cátodo en lugar de sodio.

Cómo se mueve la carga

Durante la electrolisis:

• Los electrones se mueven a través de los cables (el circuito externo) desde la fuente de alimentación.
• En el cátodo, los iones positivos ganan electrones. Ganar electrones es reducción.
• En el ánodo, los iones negativos pierden electrones. Perder electrones es oxidación.
• Dentro del electrolito, los ones se mueven: los iones positivos van al cátodo y los iones negativos van al ánodo.

Puede escribir una ecuación semirreacción para cada electrodo. Para el bromuro de plomo(II) fundido:

Electrolisis del sulfato de cobre(II)

El producto en el ánodo depende del electrodo:

• Con electrodos de carbono inertes: se forma cobre en el cátodo y oxígeno en el ánodo. El color azul de la solución se desvanece lentamente a medida que se elimina el cobre.
• Con electrodos de cobre: se forma cobre en el cátodo, mientras que el propio ánodo se disuelve en la solución. El color azul permanece igual. Esto se utiliza para purificar el cobre.

Galvanoplastia

La galvanoplastia significa cubrir un objeto metálico con una fina capa de otro metal. Esto mejora su apariencia y su resistencia a la corrosión (óxido y desgaste).

Para galvanoplastiar un objeto:

• el objeto a revestir se convierte en el cátodo;
• el metal de revestimiento se convierte en el ánodo;
• el electrolito es una solución que contiene iones del metal de revestimiento.

Una pila de combustible utiliza hidrógeno y oxígeno para generar electricidad directamente. El único producto químico es el agua.

Es útil comparar una pila de combustible con un motor de gasolina normal en un vehículo.

Ventajas de la pila de combustible: el único producto es el agua, por lo que no contamina el aire, y convierte eficientemente la energía química en electricidad. Desventajas: el hidrógeno es difícil de almacenar y transportar de forma segura, y la producción del mismo aún puede requerir energía procedente de combustibles fósiles.

• En el cátodo (negativo) se obtiene un metal o hidrógeno; en el ánodo (positivo) se obtiene un no metal. Los iones positivos se mueven hacia el cátodo y los iones negativos hacia el ánodo.
• Un compuesto fundido simplemente proporciona sus dos elementos. Una solución acuosa puede dar algo diferente (el cloruro sódico concentrado produce hidrógeno y cloro, no sodio).
• La reducción es la ganancia de electrones (en el cátodo); la oxidación es la pérdida de electrones (en el ánodo). Recuerde OIL RIG.
• En una ecuación semirreacción, los átomos y las cargas deben equilibrarse, con los electrones en el lado correcto: $\text{Pb}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Pb}$ (cátodo).
• Para galvanoplastiar un objeto, hágalo el cátodo, haga que el metal de revestimiento sea el ánodo y utilice una solución que contenga iones del metal de revestimiento.

En toda reacción química, se transfiere energía. La reacción es exotérmica o endotérmica, dependiendo de hacia dónde se mueve la energía.

• Una reacción exotérmica 放热反应 emite energía térmica 热能 hacia el entorno 环境. Por lo tanto, la temperatura del entorno aumenta. arriba.
• Una reacción endotérmica 吸热反应 absorbe energía térmica del entorno. Por lo tanto, la temperatura del entorno disminuye.

Ejemplos de reacciones exotérmicas son la combustión 燃烧 (quemar un combustible) y la neutralización 中和 (un ácido reaccionando con una base). Un ejemplo de reacción endotérmica es la descomposición 分解 térmica de un compuesto (romperlo usando calor).

La cantidad de energía térmica transferida en una reacción se llama cambio de entalpía 焓变. Se escribe como $\Delta H$ y tiene estos signos:

• $\Delta H$ es negativo para una reacción exotérmica, porque la energía sale de los productos químicos.
• $\Delta H$ es positivo para una reacción endotérmica, porque la energía se absorbe.

Las partículas no reaccionan cada vez que se encuentran. La energía de activación 活化能 ($E_a$) es la menor cantidad de energía que deben tener las partículas 粒子 colisionantes 碰撞 antes de poder reaccionar. Es como una colina que las partículas deben superar antes de que ocurra la reacción.

Un diagrama de ruta de reacción 反应进程图 muestra cómo cambian las energías a medida que ocurre una reacción. La energía está en el eje vertical y el progreso de la reacción está en el eje horizontal.

• La línea comienza en el nivel de energía de los reactivos 反应物.
• Sube sobre una 'colina': la altura de esta colina es la energía de activación $E_a$.
• Luego sube o baja hasta el nivel de energía de los productos 生成物.
• La brecha entre el nivel de reactivos y el nivel de productos es el cambio de entalpía $\Delta H$.

Para una reacción exotérmica, los productos están más bajos que los reactivos, por lo que se libera energía y $\Delta H$ es negativo.

Para una reacción endotérmica, los productos están más altos que los reactivos, por lo que se absorbe energía y $\Delta H$ es positivo.

Una reacción implica romper los enlaces en los reactivos y formar nuevos enlaces en los productos.

• Ruptura de enlaces 断键 absorbe energía, por lo que es un paso endotérmico.
• Formación de enlaces 成键 libera energía, por lo que es un paso exotérmico.

La energía de enlace 键enlace es la energía necesaria para romper un mol de un enlace particular. Puedes usar las energías de enlace para encontrar el cambio de entalpía:

Si se libera más energía formando enlaces de la que se absorbe rompiendo enlaces, la reacción es exotérmica ($\Delta H$ negativo). Si se libera menos energía, es endotérmica ($\Delta H$ positivo).

Ejemplo resuelto

Para la reacción $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, usa estas energías de enlace (en kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Enlaces rotos: uno H–H y uno Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Enlaces formados: dos H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

La respuesta es negativa, por lo que esta reacción es exotérmica.

• Exotérmico libera calor, por lo que el entorno se calienta y $\Delta H$ es negativo; endotérmico absorbe calor, por lo que el entorno se enfría y $\Delta H$ es positivo.
• Ruptura de enlaces absorbe energía (endotérmico); formación de enlaces libera energía (exotérmico). Usa $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
• Si se libera más energía formando enlaces de la que se usa rompiéndolos, la reacción es exotérmica. Comprueba siempre el signo de tu respuesta final.
• En un diagrama de ruta de reacción, una reacción exotérmica termina más bajo de lo que empieza; una endotérmica termina más alto. La altura de la colina es la energía de activación.

Un cambio físico 物理变化 no produce una nueva sustancia. La sustancia solo cambia su estado o forma, y el cambio generalmente puede revertirse. El derretimiento del hielo y la disolución del azúcar son cambios físicos.

Un cambio químico 化学变化 (una reacción química) produce una o más nuevas sustancias y generalmente es difícil de revertir. Los signos de un cambio químico incluyen un cambio de color, la liberación de un gas, un cambio de energía o la formación de un precipitado 沉淀 (un sólido).

La velocidad de reacción 反应速率 te indica qué tan rápido los reactivos 反应物 cambian a productos 生成物.

Teoría de colisiones

La teoría de colisiones 碰撞理论 explica qué controla la velocidad. Para que ocurra una reacción, las partículas 粒子 deben colisionar 碰撞, y deben colisionar con suficiente energía. La menor cantidad de energía que necesitan es la energía de activación 活化能 ($E_a$). Una velocidad más rápida ocurre cuando las partículas tienen colisiones exitosas con mayor frecuencia.

Lo que cambia la velocidad

Catalizadores

Un catalizador acelera una reacción pero no se consume; permanece sin cambios al final. Funciona disminuyendo la energía de activación. Las enzimas 酶 son catalizadores biológicos (catalizadores que funcionan en organismos vivos).

Medición de la velocidad

Puedes seguir una reacción a lo largo del tiempo de estas formas:

• Cambio en la masa: coloca el matraz sobre una balanza. Si un gas escapa, la masa disminuye. Registra la masa en intervalos regulares de tiempo.
• Volumen de gas: recolecta el gas en una jeringa de gas 注射器 y lee su volumen en intervalos regulares de tiempo.
• Formación de un precipitado: en una reacción que se vuelve turbia, cronometra cuánto tarda en desaparecer una marca debajo del matraz.

En una gráfica de producto contra tiempo, la línea es más empinada al inicio (velocidad más rápida), se vuelve menos empinada a medida que se consumen los reactivos, y se aplana cuando termina la reacción.

Algunas reacciones son reversibles 可逆反应: los productos pueden reaccionar para formar nuevamente los reactivos. Esto se representa con el símbolo $\rightleftharpoons$.

Cambio de dirección

Un ejemplo claro utiliza compuestos hidratados 水合 y anhidros 无水:

• El sulfato de cobre(II) hidratado azul, al calentarse, pierde su agua para convertirse en sulfato de cobre(II) anhidro blanco. Añadir agua lo vuelve azul nuevamente.
• El cloruro de cobalto(II) hidratado rosa pierde agua al calentarse para convertirse en cloruro de cobalto(II) anhidro azul. Añadir agua lo vuelve rosa nuevamente.

Añadir agua al sólido anhidro (y ver que regresa el color) se usa como prueba para detectar agua.

Equilibrio

En un sistema cerrado 密闭系统 (donde nada entra ni sale), una reacción reversible alcanza el equilibrio 平衡 cuando:

• la velocidad de la reacción directa 正反应 es igual a la velocidad de la reacción inversa 逆反应, y
• las concentraciones de los reactivos y los productos ya no cambian.

Cambio en la posición del equilibrio

La posición del equilibrio 平衡位置 te indica si hay más reactivos o más productos. Puedes moverla:

• Temperatura: calentar desplaza el equilibrio en la dirección que absorbe calor (dirección endotérmica 吸热反应); enfriar la desplaza en la dirección que libera calor (dirección exotérmica 放热反应).
• Presión (gases): mayor presión desplaza el equilibrio hacia el lado con menos moléculas de gas.
• Concentración: añadir más de una sustancia desplaza el equilibrio hacia el otro lado para consumirla.
• Un catalizador no desplaza la posición del equilibrio. Solo ayuda a que la reacción alcance el equilibrio más rápido.

Proceso Haber

El proceso Haber 哈伯法 produce amoníaco:

• El hidrógeno 氢气 proviene del metano 甲烷 (gas natural); el nitrógeno 氮气 proviene del aire.
• Condiciones típicas: una temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, una presión de aproximadamente $200$ atm ($20\,000$ kPa) y un catalizador de hierro 铁.

Proceso Contact

El proceso Contact 接触法 convierte dióxido de azufre en trióxido de azufre:

• El dióxido de azufre proviene de la combustión del azufre 硫 (o el tostado de minerales sulfurados); el oxígeno 氧气 proviene del aire.
• Condiciones típicas: una temperatura de $450\,{}^{\circ}\text{C}$, una presión de aproximadamente $2$ atm ($200$ kPa) y un catalizador de óxido de vanadio(V) 五氧化二钒.

Por qué se eligen estas condiciones

Las condiciones son un compromiso 折中:

• Una presión más alta produciría más producto, pero una presión muy alta es peligrosa y costosa, por lo que se usa una presión media.
• Una temperatura más baja produciría más producto (ambas reacciones directas son exotérmicas), pero la reacción sería demasiado lenta, por lo que se usa una temperatura relativamente alta para mantener una buena velocidad.
• El catalizador acelera la reacción sin cambiar la posición del equilibrio, lo que reduce costos.

La oxidación 氧化 y la reducción 还原 siempre ocurren al mismo tiempo, en lo que se llama reacción redox 氧化还原反应. ('Redox' es abreviatura de reducción–oxidación).

Hay tres formas de describir la oxidación y la reducción:

• Oxígeno: la oxidación es la ganancia de oxígeno; la reducción es la pérdida de oxígeno.
• Electrones 电子: la oxidación es la pérdida de electrones; la reducción es la ganancia de electrones.
• Número de oxidación 氧化数: en la oxidación el número de oxidación sube; en la reducción baja.

Un útil recordatorio es OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — de electrones.

Reglas del número de oxidación

El número de oxidación se indica con un numeral romano, como en hierro(II) y hierro(III). Las reglas son:

• Un elemento que no está combinado tiene un número de oxidación de $0$.
• Un ion de un solo átomo tiene un número de oxidación igual a su carga (por ejemplo, $\text{Na}^{+}$ es $+1$).
• Los números de oxidación en un compuesto suman $0$.
• Los números de oxidación en un ion suman la carga del ion.

Ejemplo resuelto. Encuentra el número de oxidación del manganeso en el ion manganato(VII), $\text{MnO}_4^{-}$. Cada oxígeno es $-2$, y hay cuatro de ellos, dando $4 \times (-2) = -8$. Los números de oxidación en un ion deben sumar la carga del ion, que aquí es $-1$. Entonces, si el manganeso es $x$, entonces $x + (-8) = -1$, lo que da $x = +7$ — exactamente lo que el (VII) en el nombre te indica. Establece el total en la carga del ion, no en cero: cero es solo para un compuesto neutro.

Agentes oxidantes y reductores

• Un agente oxidante 氧化剂 oxida a otra sustancia, y es él mismo reducido.
• Un agente reductor 还原剂 reduce a otra sustancia, y es él mismo oxidado.

Algunas reacciones redox muestran cambios de color claros:

• El manganato de potasio(VII) acidificado 高锰酸钾 es púrpura. Cuando actúa como agente oxidante es reducido, y el color púrpura se desvanece hasta volverse incoloro.
• El yoduro de potasio 碘化钾 es incoloro. Cuando se oxida, se forma yodo 碘 rojo-marrón.

• Explica una velocidad más rápida con la teoría de colisiones: las colisiones exitosas ocurren con mayor frecuencia. La concentración, la presión y el área superficial aumentan la frecuencia con la que colisionan las partículas; una temperatura más alta hace eso y además da a más partículas suficiente energía.
• Un catalizador disminuye la energía de activación y acelera la reacción, pero no se consume y no cambia $\Delta H$ ni la posición del equilibrio.
• En el equilibrio, las velocidades directa e inversa son iguales y las concentraciones dejan de cambiar — esto no significa que las cantidades de reactivo y producto sean iguales.
• Usa el principio de Le Chatelier: aumentar la temperatura favorece la dirección endotérmica; aumentar la presión favorece el lado con menos moléculas de gas; añadir una sustancia desplaza el equilibrio alejándolo de ella.
• Redox — OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain of electrons. Siempre ocurren juntas, y un agente oxidante es él mismo reducido.

Un ácido 酸 es una sustancia que forma iones de hidrógeno ($\text{H}^{+}$) cuando se disuelve en agua. Los ácidos tienen tres reacciones típicas:

• con metales 金属: ácido + metal → una sal 盐 + hidrógeno 氢气
• con bases: ácido + base 碱 → una sal + agua (esto es neutralización 中和)
• con carbonatos 碳酸盐: ácido + carbonato → una sal + agua + dióxido de carbono 二氧化碳

Describiendo lo que se observa

Nombrar los productos es solo la mitad de lo que pide el examen. "Indica las observaciones" pregunta qué verías con tus ojos, y tiene sus propios puntos - así que aprende las palabras:

Así que para magnesio añadido a ácido clorhídrico, una respuesta completa es: efervescencia, y el sólido se disuelve (y el tubo se calienta). Para óxido de cobre(II) añadido a ácido sulfúrico tibia: el sólido negro se disuelve y la solución se pone azul.

Dos reglas salvan la mayoría de los puntos perdidos. Nunca escribas "se desprende hidrógeno" como una observación - no puedes ver el hidrógeno, solo puedes ver las burbujas, así que escribe efervescencia. Y no escribas un nombre que no puedas ver: "se forma una sal" es una conclusión, no una observación.

Indicadores

Un indicador 指示剂 es un tinte que cambia de color para mostrar si una solución es ácida o alcalina.

Las soluciones acuosas de ácidos contienen iones de hidrógeno (iones 离子 $\text{H}^{+}$). Las soluciones acuosas de álcalis contienen iones hidróxido ($\text{OH}^{-}$).

Las bases son óxidos 氧化物 o hidróxidos 氢óxidos de metales. Un álcali 可溶性碱 es una base que se disuelve en agua (una base soluble).

Las bases tienen dos reacciones típicas:

• con ácidos: base + ácido → una sal + agua (neutralización otra vez)
• con sales de amonio 铵盐: esto libera gas amoníaco.

Un ácido es un dador de protones 质子 — cede iones $\text{H}^{+}$ (un ion de hidrógeno es simplemente un protón). Una base es un aceptor de protones.

La fuerza de un ácido depende de cuánto se separa en iones en el agua:

• Un ácido fuerte 强酸 está completamente disociado 电离 (totalmente separado en iones) en el agua. El ácido clorhídrico 盐酸 es fuerte:

• Un ácido débil 弱酸 solo está parcialmente disociado. El ácido etanoico 乙酸 es débil, por lo que la ecuación usa la flecha reversible:

Nota: 'fuerte' y 'débil' se refieren a la disociación, no a estar diluido o concentrado.

La escala de pH va de 0 a 14 e indica qué tan ácida o alcalina es una solución. Una mayor concentración de iones de hidrógeno significa un pH más bajo.

Puedes encontrar el pH usando un indicador universal 通用指示剂, que toma diferentes colores:

Cuando un ácido y un álcali reaccionan, los iones $\text{H}^{+}$ y $\text{OH}^{-}$ se unen para formar agua:

Los óxidos pueden clasificarse según su comportamiento:

• Óxidos ácidos son óxidos de no metales, como $\text{SO}_2$ y $\text{CO}_2$.
• Óxidos básicos son óxidos de metales, como $\text{CuO}$ y $\text{CaO}$.
• Óxidos anfotéricos 两性 reaccionan tanto con ácidos como con bases para formar una sal y agua. El $\text{Al}_2\text{O}_3$ y el $\text{ZnO}$ son anfotéricos.

Así que los óxidos de metal tienden a ser básicos y los óxidos de no metal tienden a ser ácidos.

Si una sal puede hacerse por un método determinado depende de si es soluble 可溶 (se disuelve) o insoluble 不溶 (no se disuelve).

Reglas de solubilidad

Hacer una sal soluble

Reaccionas un ácido con uno de estos:

• un álcali, usando titulación 滴定 (ya que ambos son soluciones, debes medir los volúmenes exactos);
• un exceso 过量 de un metal, una base insoluble, o un carbonato insoluble.

Cuando usas un exceso de un sólido, luego filtras 过滤 para eliminar el sólido sobrante. Finalmente evaporas 蒸发 algo de agua y dejas que la solución cristalice 结晶 para obtener la sal.

Ejemplo resuelto. ¿Qué método usarías para preparar (a) sulfato de cobre(II) y (b) sulfato de bario? Revisa primero las reglas de solubilidad. (a) El sulfato de cobre(II) es soluble (solo los sulfatos de bario, calcio y plomo no lo son), así que hazlo a partir de un sólido insoluble y un ácido: añade exceso de óxido de cobre(II) a ácido sulfúrico diluido tibia, filtra el sólido sobrante, luego evapora algo de agua y cristaliza. (b) El sulfato de bario es insoluble, así que hazlo por precipitación: mezcla dos soluciones que cada una contengan uno de los iones necesarios, luego filtra, lava y seca el sólido. La solubilidad de la sal que quieres es lo que decide el método - consulta las reglas antes de elegir.

Hacer una sal insoluble

Una sal insoluble se hace por precipitación 沉淀: mezclas dos soluciones que cada una contienen uno de los iones necesarios, y la sal insoluble se forma como un sólido. Luego la filtras, lavas y secas.

Agua en sales

• Una sustancia hidratada 水合 está químicamente unida al agua.
• Una sustancia anhidra 无水 no contiene agua.

Las moléculas de agua dentro de los cristales hidratados se llaman agua de cristalización 结晶水. Por ejemplo, $\text{CuSO}_4 \bullet 5\text{H}_2\text{O}$ tiene cinco moléculas de agua por cada unidad fórmula.

• Aprende las tres reacciones de los ácidos: ácido + metal → sal + hidrógeno; ácido + base → sal + agua (neutralización); ácido + carbonato → sal + agua + dióxido de carbono.
• Fuerte y débil describen cuánto se separa el ácido en iones (disociación), no qué tan concentrado está. Un ácido fuerte está totalmente disociado; un ácido débil solo parcialmente.
• Un pH más bajo significa una mayor concentración de iones de hidrógeno. pH 7 es neutro, debajo de 7 es ácido, encima de 7 es alcalino.
• Elige el método de la sal por solubilidad: una sal soluble se hace de un ácido + exceso de sólido (luego filtra, evapora, cristaliza), o por titulación con un álcali; una sal insoluble se hace por precipitación (mezcla dos soluciones, luego filtra).
• Aprende las reglas de solubilidad — todas las sales de sodio, potasio, amonio y nitrato son solubles.

La Tabla Periódica 周期表 ordena todos los elementos 元素 en orden creciente de número de protones 质子数 (el número atómico 原子序数). Las filas horizontales se llaman períodos 周期 y las columnas verticales se llaman grupos 族.

Algunos patrones clave:

• A lo largo de un período, los elementos cambian de metales 金属 a la izquierda a no metales 非金属 a la derecha.
• El número del grupo indica la carga de los iones 离子 que forman los elementos. El Grupo I forma iones $+1$, el Grupo II forma iones $+2$ y el Grupo VII forma iones $-1$.
• Los elementos del mismo grupo tienen propiedades químicas similares. Esto se debe a que tienen el mismo número de electrones 电子 en su capa externa (la misma configuración electrónica externa 电子排布).

Debido a estos patrones, puedes usar la posición de un elemento para predecir sus propiedades.

Los elementos del Grupo I son los metales alcalinos 碱金属: litio 锂, sodio 钠 y potasio 钾. Son metales blandos 柔软 (se pueden cortar con un cuchillo).

Al bajar por el grupo, existen tendencias claras:

Puedes usar estas tendencias para predecir las propiedades de otros elementos del Grupo I. Por ejemplo, el rubidio (debajo del potasio) sería aún más reactivo y tendría un punto de fusión aún más bajo.

Reacción con el agua y lo que se observa

Esta es la reacción sobre la que más se pregunta en los exámenes. Cada metal del Grupo I reacciona con el agua para formar una alcali (hidróxido metálico) más hidrógeno, razón por la cual se llaman metales alcalinos:

"Describe lo que ves" suele valer puntos propios, así que aprende la lista para sodio sobre agua:

• flota - el metal es menos denso que el agua.
• se funde formando una bola - la reacción libera calor y el punto de fusión del metal es bajo.
• se mueve por la superficie - el chorro de hidrógeno que escapa lo empuja.
• hay efervescencia 泡腾 (burbujeo) - debido a la salida del gas hidrógeno.
• se hace más pequeño y desaparece a medida que se consume.
• la solución se vuelve alcalina, por lo que el indicador universal se torna morado (ahora es $\text{NaOH}$).

La tendencia se manifiesta en la violencia de la reacción: el litio burbujea constantemente pero no se funde; el sodio se funde en una bola y corre por la superficie; el potasio es lo suficientemente rápido como para encender su propio hidrógeno, ardiendo con una llama lila. Dos respuestas que debes evitar: decir "se desprende hidrógeno" no es una observación (no se puede ver, di efervescencia), y el metal se funde porque la reacción es exotérmica, no porque "el agua esté caliente".

Los elementos del Grupo VII son los halógenos 卤素: cloro 氯气, bromo 溴 e yodo 碘. Son no metales diatómicos 双原子 (cada molécula está formada por dos átomos, como $\text{Cl}_2$).

Su apariencia a temperatura y presión ambiente:

Al bajar por el grupo, la densidad aumenta pero la reactividad disminuye (tendencia opuesta a la del Grupo I).

Reacciones de desplazamiento

Un halógeno más reactivo desplaza (empuja fuera) a un ion haluro 卤化物 menos reactivo de su solución. Esta es una reacción de desplazamiento 置换反应.

Por ejemplo, el cloro es más reactivo que el bromo, por lo que desplaza al bromo del bromuro de potasio:

Ejemplo resuelto. Se añade cloro acuoso a una solución de yoduro de potasio; luego se añade yodo acuoso a una solución de bromuro de potasio. ¿Qué sucede en cada caso? La reactividad disminuye hacia abajo en el Grupo VII: cloro, luego bromo, luego yodo. (a) El cloro está por encima del yodo, por lo que es más reactivo y lo desplaza: $\text{Cl}_2 + 2\text{KI} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2$, y la solución se torna rojo-marrón a medida que se libera yodo. (b) El yodo está por debajo del bromo, por lo que es menos reactivo y no puede desplazarlo: no hay reacción ni cambio de color. "No hay reacción" es una respuesta completa que vale puntos; verifica el orden dentro del grupo antes de escribir cualquier ecuación.

Los elementos de transición 过渡元素 son el bloque de metales en el centro de la Tabla Periódica. En comparación con los metales del Grupo I, ellos:

• tienen altas densidades;
• tienen altos puntos de fusión;
• forman compuestos 化合物 coloreados 有色;
• a menudo actúan como catalizadores, tanto como elementos como en compuestos.

También pueden tener números de oxidación 氧化数 variables 可变. Por ejemplo, el hierro 铁 forma tanto compuestos de hierro(II) como de hierro(III).

Los gases nobles 稀有气体 del Grupo VIII son inertes 不reactivos, gases monoatómicos 单原子 (existen como átomos individuales, no como moléculas).

Son inertes porque ya poseen una capa externa completa de electrones. Esto los hace estables, por lo que no necesitan ganar, perder o compartir electrones.

• La Tabla Periódica está ordenada por número de protones. Los elementos del mismo grupo (columna) tienen el mismo número de electrones externos, por lo que reaccionan de manera similar; los períodos son las filas.
• El Grupo I (metales alcalinos) se vuelve más reactivo al bajar; el Grupo VII (halógenos) se vuelve menos reactivo al bajar — tendencias opuestas.
• Un halógeno más reactivo desplaza a uno menos reactivo desde una solución de su sal — por ejemplo, el cloro desplaza al bromo.
• Los gases nobles son inertes porque tienen una capa externa completa. Los elementos de transición son duros y densos, forman compuestos coloreados, actúan como catalizadores y tienen números de oxidación variables.

Propiedades físicas

Los metales 金属 y los no metales 非金属 se comportan de manera muy diferente:

Propiedades químicas

Los metales reaccionan de tres formas principales:

• con ácidos 酸 diluidos → una sal 盐 + hidrógeno 氢气
• con agua fría o vapor 蒸汽 → un hidróxido metálico (u óxido) + hidrógeno
• con oxígeno 氧气 → un óxido 氧化物 metálico

Un metal se elige para un trabajo específico debido a sus propiedades físicas.

• El aluminio 铝 se utiliza para fabricar aeronaves debido a su baja densidad 密度 (es ligero).
• El aluminio se utiliza para cables eléctricos aéreos debido a su baja densidad y buena conductividad eléctrica.
• El aluminio se utiliza para recipientes de alimentos porque resiste la corrosión 腐蚀.
• El cobre 铜 se utiliza para cableado eléctrico debido a su buena conductividad eléctrica y su ductilidad (puede estirarse en forma de alambre).

Una aleación 合金 es una mezcla 混合物 de un metal con uno o más otros elementos.

• El latón 黄铜 es una mezcla de cobre y zinc 锌.
• El acero inoxidable 不锈钢 es una mezcla de hierro 铁 con otros elementos como cromo 铬, níquel 镍 y carbono 碳.

Las aleaciones suelen ser más duras y fuertes que los metales puros, lo que las hace más útiles. Por ejemplo, el acero inoxidable se utiliza para cubiertos porque es duro y no se oxida.

Por qué las aleaciones son más duras. En un metal puro, los átomos 原子 tienen todos el mismo tamaño, por lo que las capas 层 pueden deslizarse unas sobre otras fácilmente. En una aleación, los átomos de diferentes tamaños impiden que las capas se deslicen, por lo que la aleación es más dura y fuerte.

La serie de reactividad 金属活动性顺序 enumera los metales en orden de su reactividad. Se incluyen el carbono y el hidrógeno para fines de comparación:

potasio 钾, sodio 钠, calcio 钙, magnesio 镁, aluminio, carbono, zinc, hierro, hidrógeno, cobre, plata, oro

(más reactivo en la parte superior, menos reactivo en la parte inferior)

Cuanto más alto esté un metal en la serie, más fácilmente forma iones 离子 positivos. Esto explica sus reacciones:

• El potasio, el sodio y el calcio reaccionan con agua fría.
• El magnesio reacciona con vapor (pero solo muy lentamente con agua fría).
• El magnesio, el zinc y el hierro reaccionan con ácido clorhídrico diluido; el cobre, la plata y el oro no reaccionan.

Reacciones de desplazamiento

Un metal más reactivo desplazará a un metal menos reactivo de una solución de sus iones (una reacción de desplazamiento 置换反应). Por ejemplo, el zinc desplaza al cobre de la solución de sulfato de cobre(II), porque el zinc es más reactivo que el cobre:

Esté preparado para describir lo que vería, ya que esas son marcas separadas:

• El color azul de la solución se desvanece: los iones azules $\text{Cu}^{2+}$ se están consumiendo (el sulfato de zinc es incoloro).
• Un sólido rosa-marrón recubre el zinc: ese es el cobre desplazado.
• El zinc gris se disuelve y disminuye de tamaño.
• La mezcla se calienta: el desplazamiento es exotérmico.

Las reacciones de metal con ácido tienen su propia lista de observaciones: efervescencia 泡腾 (la salida del hidrógeno) y el sólido se disuelve. Con óxido de cobre(II) o carbonato y ácido, añada que la solución se vuelve azul. Nunca escriba "se desprende hidrógeno" como una observación: no puede ver el gas, solo las burbujas, así que escriba efervescencia.

Ejemplo resuelto. El zinc y el aluminio se encuentran ambos como óxidos. ¿Cuál se puede extraer calentándolo con carbono y por qué? Encuentre la posición de cada metal en relación con el carbono en la serie de reactividad. El zinc está debajo del carbono, por lo que el carbono es el más reactivo de los dos y puede quitarle el oxígeno: el óxido de zinc se reduce al calentarlo con carbono. El aluminio está por encima del carbono, por lo que el carbono no es lo suficientemente reactivo para desplazarlo, y el aluminio debe extraerse mediante electrólisis en cambio: por eso el aluminio cuesta mucho más extraerse. La línea en la serie que decide el método es la del carbono, no la parte superior de la lista.

El caso especial del aluminio

El aluminio parece menos reactivo de lo que sugiere su posición. Esto se debe a que está cubierto por una capa delgada y resistente de óxido 氧化层 que impide que otras sustancias lleguen al metal que hay debajo.

Oxidación 生锈 es la corrosión del hierro y el acero. Se necesitan dos cosas para que se produzca la oxidación: oxígeno (del aire) y agua. El óxido 铁锈 formado es óxido de hierro(III) hidratado.

Evitar la oxidación

Los métodos de barrera 隔离法 mantienen el oxígeno y el agua lejos del hierro:

• Pintura, engrase (recubrimiento con aceite) y revestimiento con plástico.

Galvanizado 镀锌 significa recubrir el hierro con una capa de zinc. Esto funciona de dos maneras:

• Actúa como barrera (el zinc mantiene fuera el aire y el agua);
• Proporciona protección sacrificial 牺牲保护. Dado que el zinc es más reactivo que el hierro, el zinc pierde electrones 电子 y se corroe en lugar del hierro, incluso si la superficie está rayada.