DISTRIBUCIONES ELECTRÓNICAS Y VALENCIA: Todos los elementos de la tabla periódica tienen una organización especial de sus electrones según su energía; a esta organización se le denomina "distribución electrónica" y depende del número de electrones de un átomo y va en el siguiente orden:
Esta imagen a parte del orden de los electrones en los diferentes niveles (1-7) y subniveles (s, p, d, f), nos muestra también la cantidad máxima de electrones que pueden estar albergados en un nivel energético.
Los electrones de valencia son aquellos que se encuentran en el último nivel de energía y son los encargados de la formación de enlaces entre los diferentes átomos; veamos un ejemplo de distribución electrónica y cuáles serían los electrones de valencia para un átomo:
Al: 1S2, 2S2, 2P6, 3S2, 3P1.
En esta distribución electrónica podemos notar que:
- El aluminio(Al) tiene en total 13 electrones en toda su distribución.
- Además de que su último nivel es el tres, ya que es el número más alto en la distribución.
- Por otro lado podemos observar que en el último nivel tiene 3 electrones, por lo tanto estos son sus electrones de valencia, que además nos dicen el grupo en el cual estará(IIIA)
HIBRIDACIÓN DE ORBITALES: La palabra hibridación significa "mezcla", a nivel atómico la podemos entender como la fusión entre orbitales para facilitar la unión de un átomo con otro. Cuando se hibridan los orbitales, se obtiene el mismo número de orbitales pero híbridos. Hay que recordar que los niveles tienen subniveles y estos orbitales(pueden contener máximo 2 electrones); por lo cual vamos a tener para los subniveles S y P tres tipos de hibridación para el carbono, que es el elemento principal para la química orgánica:
- SP1: Quiere decir que el único orbital del subnivel S se fusiona con un orbital de subnivel P, generando 2 orbitales iguales e híbridos de tipo SP1 que se pueden enlazar a través de un enlace triple y uno sencillo, o, a través de dos enlaces dobles. Tiene 2 átomos unidos a él.
- SP2: Quiere decir que el orbital del subnivel S se fusiona con dos orbitales del subnivel P, generando así tres orbitales híbridos de tipo SP2 que se pueden enlazar con dos enlaces sencillos y uno doble. Tiene tres átomos unidos a él.
- SP3: Quiere decir que el orbital S se fusiona con los tres orbitales del subnivel P, generando así cuatro orbitales híbridos de tipo SP3, que se pueden enlazar a través de 4 enlaces sencillos. Esta hibridación permite que al carbono se le una 4 átomos diferentes, por ello se dice que este carbono está "saturado".
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| átomo con hibridación SP3 |
GEOMETRÍA MOLECULAR: Depende del tipo de hibridación del átomo central, de esta manera tendremos, según el número de orbitales híbridos, lo siguiente:
- 2 ORBITALES: Geometría lineal recta.
- 3 ORBITALES: Geometría lineal triangular.
- 4 ORBITALES: Geometría tetrahédrica.
- 5 ORBITALES: Geometría triangular plana, además de un orbital hacia arriba y otro hacia abajo.
- 6 ORBITALES: Geometría cuadrilátera plana, además de un orbital hacia arriba y otro hacia abajo.
ELECTRONEGATIVIDAD: Se define como la capacidad que tiene un átomo de "arrancar" electrones de otro y así completar su octeto; los elementos más electronegativos de la tabla periódica son el flúor (F), oxígeno (O) y nitrógeno (N).
TIPOS DE ENLACE: Dependiendo de la diferencia de electronegatividades entre dos átomos se pueden presentar los siguientes tipos de enlace:
METÁLICO: Es el enlace más fuerte de todos, pues se da entre elementos metálicos, que gracias a su baja electronegatividad, los electrones no tienen gran atracción hacia su núcleo y empiezan a circular por toda la estructura, generando así el fenómeno de deslocalización electrónica; por elloestos elementos son excelentes conductores de la electricidad.
- IÓNICO: Es igualmente un enlace fuerte, en el cual la diferencia de electronegatividades es superior o igual a 1.7.
- COVALENTE POLAR: Es un enlace en el cual la diferencia entre las electronegatividades está entre 0.4 y 1.7.
- COVALENTE NO POLAR: Es aquel enlace en el cual la diferencia de electronegatividad es inferior a 0.4; por el hecho de ser no polar, entendemos que es una sustancia a la cual el agua no puede disolver.
FUERZAS INTERMOLECULARES: Son las que se generan por la interacción entre las moléculas y que no constituyen enlace, entre estas fuerzas tenemos:
- PUENTES DE HIDRÓGENO: Es una fuerza electrostática que se da entre especies que tiene el átomo de hidrógeno unido a otro átomo electronegativo (F, O, N). Gracias a este fenómeno hoy sabemos que el hielo flota sobre el agua porque es menos denso, ya que forma puentes de hidrógeno debido a la baja temperatura, y de esta forma el volumen se hace mayor, generando así una densidad menor.
- FUERZAS DIPOLO-DIPOLO: Son el tipo de fuerzas que se presentan entre las moléculas que tienen sectores parcialmente cargados, ya sea positiva o negativamente, lo cual genera una atracción.
- FUERZAS DE VAN DER WAALS: Son aquellas que se presentan entre sustancias no polares y se da cuando se dispersan las cargas de forma momentánea por esto se les denomina dipolos inducidos.
- HIDROFÓBICAS: Se da entre regiones no polares de las sustancias cuando interactúan con el agua.
A PROPÓSITO DE LOS ENLACES UN ARTÍCULO A CERCA DEL AGUA Y LAS CONSECUENCIAS DE SU POLARIDAD CÓMO LUCHAR CONTRA ELLA:
TRAMPAS PARA EL AGUA
El agua es vida, pero también amenaza. Se filtra en los cimientos de las casas, se condensa en las paredes y en los locales cerrados, destruye. Y los bebés mojados despiertan a sus padres. ¿Cómo librarse de ella? Con absorbentes de humedad. Cuanta más superficie de contacto ofrezcan, mejores serán.
La capilaridad.
La eficiencia de los secantes se basa en la capilaridad. En el siglo XVIII, el médico inglés James Jurin la analizó, sumergiendo capilares (tubos muy finos) en agua. El agua presenta una gran afinidad por el vidrio limpio: "moja" su superficie al máximo, trata de cubrirlo por completo. La gravedad que tira de ella hacia abajo le impide subir hasta el extremo del capilar; se eleva por él hasta una altura inversamente proporcional a su radio (en un tubo de un milímetro de radio subirá 14 milímetros, y casi un metro en uno de diez micras).
Volvamos al papel secante y a los tejidos que, como este tipo de papel, están constituidos por fibras de celulosa entrelazadas. Ofrecen al agua numerosos intersticios, en los que penetra por capilaridad. Cuando los levantamos una vez empapados, el agua permanece atrapada entre las fibras. Las esponjas y los trapos absorbentes obedecen al mismo principio de capilaridad.
Nos preguntamos entonces: ¿Por qué el agua moja tan fácilmente las superficies de muchos materiales? Como sabemos, una molécula de agua está constituida por un oxígeno y dos hidrógenos que comparten cuatro electrones. Sin embargo, el átomo de oxígeno tira hacia sí de esa "cubierta electrónica". Aunque globalmente neutra, la molécula de agua presenta una "polaridad", o sea, excesos de cargas, negativos en el oxígeno y positivos en los dos hidrógenos. esta molécula polar interactúa de manera intensa con las moléculas cargadas o polarizadas: mientras que el oxígeno (negativo) busca la compañía de las cargas positivas, los hidrógenos (positivos) buscan las cargas negativas. Así, las moléculas de agua se fijan de forma duradera en todas las paredes que consten de moléculas polares o eléctricamente cargadas, es decir, en un buen número de ellas. Estas consideraciones permiten aumentar la eficacia de las esponjas y los papeles absorbentes.
Cloruro de Calcio
Para atrapar el agua, hay que presentarle la máxima superficie. ¿Cómo? A menudo ponemos desecantes en los armarios donde guardamos objetos delicados, un aparato de medida, por ejemplo. Estos dispositivos deshidratantes se componen, por lo general, de una cubeta receptora y una recarga que contiene cristales de cloruro de calcio (CaCl2), sal que, disuelta en agua, se disocia en aniones de calcio (Ca++) y cationes de cloruro (Cl-). Estos iones se rodean de moléculas de agua, con el ion calcio atrayendo la parte de oxígeno de la molécula de agua, y el ion cloruro la del hidrógeno. El mismo fenómeno tiene lugar en presencia de las moléculas de agua del aire: el catión Ca++ y los dos aniones Cl- captan hasta seis moléculas de agua. Si la humedad ambiental es elevada, un gramo de cloruro de calcio "absorberá" hasta un gramo de agua. En la práctica, la capacidad de absorción de los cristales empleados en las bolsitas y demás absorbentes de humedad es de medio gramo de agua por gramo, pues el cloruro de calcio se asocia en ellos con otros compuestos indispensables para un buen acondicionamiento. Gracias a esa capacidad de absorción se controla la humedad del aire en el entorno inmediato. A 20ºC, el aire saturado (100% humedad) contiene una decena de gramos de agua por metro cúbico. En un ambiente así, una bolsita de 100 gramos de cloruro de calcio basta para mantener seco un armario de unos dos metros cúbicos de volumen. El método presenta un inconveniente: el cloruro de calcio absorbe hasta tal punto la humedad, que se torna delicuescente: se transforma en una salmuera poco agradable, de la que hay que deshacerse regularmente.
Gel de Sílice
Si no nos agrada la salmuera, podemos volver a nuestra idea inicial y emplear un material sólido que ofrezca una gran superficie al agua, como los gránulos de gel de sílice. Una molécula de sílice se compone de un átomo de silicio y dos átomos de oxígeno (SiO2). El gel de sílice está formado por gránulos de algunos milímetros de diámetro, muy porosos (un cuarto de su volumen está vacío). Ese esqueleto de sílice, obtenido por evaporación del solvente de una suspensión de sílice (gelificada) en el solvente, tiene una densidad de sólo 0,7 gramos por centímetro cúbico.
El vacio interno de cada grano está constituido por una multitud de poros interconectados de tamaño nanoscópico que forman una superficie total considerable. Así, cada gramo de gel de sílice presenta una superficie interna de 700 metros cuadrados y un volumen interno de 0.35 centímetros cúbicos. En el transcurso de la preparación del gel de sílice se crean numerosas agrupaciones polares que atraen el agua.
Por eso, la superficie interna de los granos de sílice es "golosa" de agua. Al colmarse, los poros de la sílice fijan hasta 0.35 gramos de agua por gramo, algo menos que el cloruro de calcio, pero sin el inconveniente de la formación de salmuera: incluso saturada de agua, la sílice sigue seca al tacto. Estas ventajas explican por qué la encontramos en todas partes, tanto en los embalajes de aparatos fotográficos como en los de medicamentos. Los deshidratadores industriales que actúan por absorción también la contienen: en ellos, el aire que se trata atraviesa un gel de síliece donde abandona el vapor de agua. Para que "ceda el agua" al gel de sílice, basta calentarlo hasta 130ºC. Así, el óxido de silicio, uno de los minerales más corrientes de la superficie de la tierra, produce una deshidratación de uso no solo universal, sino reversible.
¿Realmente lo encontramos por todas partes? Los padres conocen los despertares nocturnos resultantes de la irritación de las nalgas mojadas del recién nacido. ¿Contienen gel de sílice los pañales? NO. Cada micción vierte unos 50 gramos de líquido; para absorber las tres micciones del bebe, serían necesarios no menos de 430 gramos de gel de sílice. Ahora bien, sabemos que los pañales de buena calidad no se humedecen pese a su finura y que pesan menos de 100 gramos. Entonces, ¿que contienen?
Ácido acrílico polimerizado, largas cadenas moleculares donde cada eslabón es una molécula de ácido acrílico. Seco, tiene el aspecto de una sal; para producirlo se debe neutralizar el ácido acrílico con sosa o potasa. Por ello, el polímero lleva numerosos átomos de oxígeno cargados negativamente y ligados a iones de sodio o potasio de carga positiva. Por añadidura, las cadenas están conectadas por enlaces moleculares generados en el momento de la preparación. Al final, el polímero forma una red tridimensional, que recuerda a unos espaguetis enlazados por una multitud de hilos de queso fundido.
¿Cómo se comporta ese gel en presencia de agua? Con el ácido acrílico creen los físicos haber conseguido una especie de "esponja definitiva", de poros de tamaño molecular. Además, como la red que forman las cadenas del polímero contienen numerosos cationes de sodio y potasio y muchos aniones de oxígeno, constituye un verdadero "paraíso" para una molécula polar como el agua. Una vez dentro de la red, las moléculas de agua encuentran mil compañeros a los que unirse: unas se acercan a iones de oxígeno negativos, otras rodean iones positivos (los hidratan). Al quedar así liberados en parte de la atracción electroestática de los iones positivos, los iones de oxígeno negativos se repelen, las cadenas del polímero se despliegan y aumenta el volumen del material. Sin embargo, las uniones entre cadenas resisten lo suficiente para que el material se hinche sin disolverse y no dé la detestada salmuera. Los resultados del ácido acrílico polimerizado son impresionantes: absorbe de 500 a 3000 veces su masa de agua destilada.
Por desgracia, la absorción es más baja para el agua salada o la orina, que contienen iones: retienen las moléculas de agua y contrarrestan así la atracción ejercida por los iones que se encuentran en el seno del polímero. Por esa causa, el polímero absorbe solo el orden de 30 veces su masa. Un pañal, por ejemplo, absorbe hasta 500 gramos de agua y la fija tan bien, que se queda dentro aunque se comprima el polímero (al sentarse el niño).
Este tipo de superabsorbente ya no está hoy limitado a los pañales o a las toallas higiénicas. Intercalado entre dos capas de tejido, hace de deshidratante en las barquillas de alimentos. Mezclado con caucho, da un mortero de una estanqueidad increíblemente efectiva; una mezcla de esta clase se empleó para prevenir las filtraciones de agua en el túnel bajo el Canal de la Mancha. Si el agua se acerca al mortero, este se hincha, tapando así las fracturas con una barrera impermeable. ¡Jamás hubiéramos imaginado un superabsorbente capaz de resistir el Canal de la Mancha!(1)
MI PREGUNTA ES...
¿Cuál es el mecanismo de funcionamiento de los talcos y desodorantes que normalmente utilizamos en la cotidianidad? ¿Tienen el mismo sistema de sales que atrapan la humedad?
TÍTULO: "Trampas para el agua" AUTORES: Jean-Michel Courty y Edouard Kierlik.
(1) Courty JM, Kierlik E. Trampas para el agua. INVYCIE. 2003 Nov; 326: 84-85.
