Ya hemos visto que la química se centra en el estudio de la composición y de las propiedades de la materia, con especial énfasis en las transformaciones que esta experimenta. Por ello en química se habla de sustancias puras y mezclas. Mientras que los componentes de una mezcla pueden separarse mediante procesos físicos (decantación, destilación, cromatografía, etc.), las sustancias puras solo pueden descomponerse, en determinados casos, mediante procesos químicos que involucran reacciones químicas.
Dentro de las sustancias puras existen los compuestos y los elementos químicos. Los compuestos pueden separarse en sus elementos químicos constituyentes mediante las transformaciones apropiadas, pero los elementos químicos son un tipo de materia formada por átomos de una misma clase (definidos por un número fijo de protones) y no pueden descomponerse o disociarse en otras entidades más simples[1]. Por esta razón la química se articula en gran medida sobre estos elementos químicos, que son un conjunto de más de cien especies con propiedades características.
Algunos elementos se han encontrado en la naturaleza y otros se han obtenido de manera artificial, partiendo de compuestos químicos, o incluso han sido creados artificialmente mediante reacciones nucleares. Cada elemento está caracterizado por tener un número fijo de protones cargados positivamente en el núcleo, o número atómico, que coincide con el número de electrones cargados negativamente en la corteza. El núcleo puede contener un número variable de neutrones sin carga que ayudan a estabilizar el átomo; este número sumado al atómico constituye el número másico. Dos átomos que tengan el mismo número de protones son del mismo elemento aunque posean distinto número de neutrones. En este último caso se dice que son isótopos y, salvo contadas excepciones, tienen las mismas propiedades químicas.
Desde mediados del siglo XIX los elementos químicos se ordenan en la tabla periódica según el número atómico, en una disposición determinada que permite una rápida clasificación de los mismos de acuerdo a una serie de propiedades comunes para cada columna o grupo en el que se encuentren y una variación relativa más o menos conocida a través de las filas o periodos. La tabla periódica en su versión moderna, como la que se muestra en la figura 1.2, es una herramienta fundamental para el estudio de la química en la actualidad.
Una de las propiedades que se estudia en la tabla periódica es la electronegatividad, un concepto fundamental en química que fue introducido por el norteamericano L. Pauling, y que, referido a un elemento, puede definirse como la capacidad que tiene un átomo para atraer electrones de átomos vecinos cuando forman parte de un enlace químico. Teniendo en cuenta las configuraciones electrónicas de los elementos químicos y observando la tabla periódica pueden diferenciarse varios tipos de elementos según su electronegatividad.
- Metales. Son los elementos situados a la izquierda en la tabla periódica. No tienen apenas tendencia a atraer electrones de átomos vecinos porque poseen electrones de valencia que están muy poco ligados a los núcleos. De hecho, los metales se caracterizan por la tendencia opuesta: cuando las circunstancias lo permiten se desprenden de los electrones más externos. Esto es especialmente evidente en los dos primeros grupos de la tabla periódica (alcalinos y alcalinotérreos), cuya configuración electrónica acaba en orbitales ns. La tendencia se mantiene en la zona central de la tabla periódica en los llamados metales de transición, los elementos de los diez grupos cuya configuración electrónica posee electrones en los niveles nd. Y también existen otros metales, los lantánidos y actínidos, cuya configuración electrónica contiene electrones en orbitales nf.
- No metales. Por el contrario, los elementos situados a la derecha de la tabla periódica tienen una tendencia muy grande a captar electrones de átomos vecinos debido a que les faltan muy pocos para poder adoptar una configuración de capas llenas, especialmente los del grupo del flúor (halógenos), que tan solo por un electrón no tienen todas sus capas llenas.
- Semimetales. Hay que destacar que existe un conjunto de elementos como el B, el Si, el Ge, etc., cuya clasificación en metales o no metales no puede hacerse claramente porque presentan un comportamiento intermedio. Tendrían que captar o deshacerse de muchos electrones para alcanzar una configuración de capa llena. Su electronegatividad es moderada, siendo capaces tanto de aceptar electrones de metales como de cederlos a átomos muy electronegativos.
- Gases nobles. Finalmente, los elementos del último grupo de la tabla periódica son gases a temperatura ambiente y tienen la peculiaridad de que ya poseen configuración de capas electrónicas llenas, de modo que son elementos muy estables y poco propensos a combinarse con otros elementos. Los gases nobles, por tanto, no son ni metales ni no metales.
Hay que destacar que la electronegatividad no es una propiedad medible experimentalmente, pero ayuda conceptualmente a entender muchas de las interacciones que tienen lugar entre los elementos. La electronegatividad es una magnitud relativa, es decir, a los elementos se les asigna un valor de electronegatividad en función de un valor de referencia. Existen distintas escalas de electronegatividad que han sido desarrolladas por distintos autores. Según el criterio de Pauling, las electronegatividades van desde 0,7 hasta 4, tal como se indica en la figura 1.2.
Cuando varios elementos se combinan para dar lugar a otras sustancias (compuestos), lo hacen mediante la formación de enlaces químicos, que involucran a las nubes electrónicas de los átomos y en principio no tienen efectos relevantes sobre los núcleos atómicos, los cuales en ningún caso cambian su naturaleza debido al enlace. Puede decirse que existe enlace entre dos átomos cuando sus nubes electrónicas entran en contacto de forma permanente porque adquieren una configuración de menor energía. Los compuestos pueden presentar tres tipos de enlaces: covalente, iónico y metálico. El concepto de electronegatividad antes introducido resulta de gran utilidad para entender las características de cada uno de ellos.
- Enlace covalente. Se da entre elementos de electronegatividad similar y alta. Los no metales (incluyendo aquí al hidrógeno) tienen mucha tendencia a captar electrones, por lo que, cuando se combinan entre sí, comparten electrones, de modo que los átomos adquieren la configuración de capas llenas al formar moléculas. Los compuestos covalentes a menudo son líquidos o gaseosos a temperatura ambiente debido a su carácter molecular; lo son, por ejemplo, el agua, los hidrocarburos, las sustancias orgánicas, los hidruros no metálicos, etc. Solo a bajas temperaturas estos compuestos solidifican formando cristales ordenados o sólidos moleculares que se comportan como aislantes eléctricos y no conducen el calor. Cabe precisar que hay algunos ejemplos de redes covalentes con características muy distintas, como el grafito o el diamante, que son formas alotrópicas de carbono, o la sílice, dióxido de silicio.
- Enlace iónico. Se produce cuando la diferencia de electronegatividad entre los elementos constituyentes es muy grande. En este caso se da la solución de compromiso obvia: los metales ceden sus electrones más externos a elementos más electronegativos, que los aceptan. De este modo, tanto el elemento metálico como el no metálico alcanzan sus configuraciones más estables de capa completa, aunque se queden en un estado de catión y anión respectivamente. Los compuestos iónicos son en general sólidos a temperatura ambiente, no conducen la electricidad y suelen ser solubles en agua en mayor o menor medida, como el cloruro de sodio, un caso típico de compuesto iónico. Los sólidos iónicos suelen presentar estructuras cristalinas bien definidas formadas por ordenaciones compactas de aniones, normalmente más voluminosos, en cuyos intersticios se alojan los cationes metálicos, de menor tamaño.
- Enlace metálico. Como su propio nombre indica, se da entre metales, es decir, elementos con electronegatividades comparables y bajas. La solución en este caso consiste en que los metales se deshacen de sus electrones de valencia formando redes en las que los núcleos y los electrones ligados adquieren posiciones fijas, mientras que los electrones de valencia se desligan de los núcleos atómicos y pueden circular de forma más o menos libre por la red de cationes. Por ello, los sólidos metálicos son buenos conductores de la electricidad y del calor y presentan un brillo característico. Esto último también es una consecuencia de la movilidad de los electrones, ya que la presencia de cargas hace que las superficiales reflejen la luz.
Aunque estos tres tipos de enlace químico engloban a prácticamente todas las sustancias conocidas, es importante tener en cuenta que puede haber muchos matices y circunstancias especiales. Por ejemplo, para no alargar la discusión no se han descrito los complejos o compuestos de coordinación, que contienen enlaces entre metal y no metal que no son iónicos, sino de un tipo particular de enlace covalente. Estos compuestos son de gran interés en química y se estudian en detalle a menudo junto con los compuestos organometálicos.
En cualquier caso, podemos apreciar que, en general, este es el planteamiento que le da la química a la clasificación de la materia y así se refleja habitualmente en las monografías de química inorgánica o química del estado sólido. Dicho planteamiento es radicalmente distinto de la clasificación física, pero básicamente abarca a toda la materia. De nuevo, en esta clasificación no entra de forma explícita el concepto de material, y es que para la química son objeto de estudio muchas sustancias que difícilmente podrían considerarse materiales.
[1] Aquí, evidentemente, estamos dejando de lado las reacciones nucleares, que afectarían a los núcleos atómicos y podrían convertir un elemento en otro.
[2] Figura extraída de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
