Comparando un compuesto químico con los elementos que lo forman ¡La diferencia salta a la vista!

 

Uno empieza a entender la Química cuando es capaz de comprender en qué consiste la diferencia entre un compuesto químico y una mezcla de los elementos químicos  que lo componen.  Cuando tiene claro, por ejemplo, por qué no es lo mismo una mezcla de los gases oxígeno e hidrógeno que unas gotas de agua, aunque casualmente ambos sistemas puedan contener la misma cantidad de materia.

Con frecuencia oímos decir cosas como que  no es bueno usar dentífricos que contengan  flúor porque el flúor es un elemento muy tóxico y corrosivo, o que es peligroso el contacto con el PVC porque tiene cloro, que también es un elemento muy perjudicial para la salud. Son afirmaciones falaces que ignoran que los elementos químicos y los compuestos químicos que éstos forman son sustancias diferentes que poco o nada tienen que ver en cuanto a sus propiedades. De hecho, el PVC está  formado largas cadenas hidrocarbonadas en las que  los átomos de cloro están fuertemente anclados a ellas, haciendo de éste un material estable y químicamente inerte, y el flúor de la pasta de dientes se encuentra en forma de fluoruros, que son sales en las que el flúor aparece combinado como ion fluoruro, muy estables y de propiedades absolutamente distintas a las del flúor elemental.

Cuando se tratan de enseñar los fundamentos de la Química General, siempre hay un momento en que aparece esta dificultad para comprender la diferencia entre elemento químico y compuesto químico y, de forma paralela, entre mezcla y combinación química de sustancias. Para ayudar a entender esta diferencia, vamos a proponer una actividad que consiste en una  observación directa en el laboratorio, una representación de modelos atómico-moleculares  y las conclusiones generales que se pueden deducir.

Podemos, por ejemplo, comparar un par de elementos como el gas cloro y el  metal sodio con el compuesto que forman, el cloruro de sodio, que es la sal común.

 

ACTIVIDAD: ¿Qué diferencia hay entre el cloro, el sodio, una mezcla de cloro y sodio, y el cloruro de sodio? 

 

1.- Observación. Evidencia de las diferencias

Para empezar, se presentan estos sistemas materiales para su observación. Es recomendable hacerlo en un lugar ventilado y seguro del laboratorio y usar bata, guantes y gafas protectoras. La manipulación de las sustancias debe hacerlas exclusivamente el monitor de la actividad. En la imagen que se muestra más adelante aparecen las fotos del aspecto de estos cuatro sistemas materiales que se describen a continuación.

a) Sodio. Elemento químico. Se extrae un trozo de su recipiente y se deposita en la mesa sobre un papel limpio y seco, donde se puede cortar con un cutter o un cuchillo en trozos más pequeños para observar su aspecto y propiedades:  sólido maleable muy blando, de color plateado y  brillo metálico en el corte reciente, fácilmente oxidable al aire (forma rápidamente una pátina blanca mate de óxido de sodio), y reacciona violentamente con el agua (se puede comprobar añadiendo con cuidado un pequeño trocito de un par de milímetros sobre un recipiente con agua).

b) Cloro. Elemento químico. Se genera en el momento de la observación haciendo la experiencia en una campana de gases o con una ventilación al exterior.  Dentro de un balón de vidrio o un erlenmeyer que contiene unos pocos mililitros de lejía comercial se añade un chorrito de aguafuerte (ácido clorhídrico al 30%) y se tapa el recipiente unos segundos después mediante un tapón sin presionar. Casi de forma instantánea, se libera el elemento químico cloro, que es el gas amarillo verdoso que tras desalojar al aire ocupa ahora todo el recipiente. Aunque no lo vamos a experimentar, aprovechamos para indicar alguna propiedad más del cloro, como su carácter fuertemente oxidante y corrosivo, su olor por todos conocido y su toxicidad. Se puede aprovechar también para comentar el gran peligro que supone mezclar productos de limpieza en el hogar.

c) Cloruro de sodio. Compuesto químico. Formado por combinación química de los dos elementos anteriores. Se puede mostrar un fragmento del mineral halita y una muestra de sal fina común. Se puede observar su aspecto cristalino vítreo,incoloro y transparente (cristal) o blanco (microcristales), es frágil y más dura que el sodio. En el agua se disuelve sin reaccionar y presenta sabor salado. Su aspecto y propiedades en general no se parecen al de ninguno de los elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio. Se puede juntar algunos pequeños fragmentos de sodio con el cloro, en frío y en seco para evitar la reacción química. Por ejemplo, extrayendo gas cloro del recipiente donde se formó con ayuda de  una jeringuilla en la cual estarían ya depositados los trocitos de sodio. Se puede comprobar que en la mezcla sigue estando presente cada uno de los elementos manteniendo su aspecto y propiedades características. 

La experiencia en el laboratorio se puede completar realizando la reacción química de obtención del compuesto cloruro de sodio a partir de los elementos cloro y sodio. Introduciendo en un recipiente con cloro un pequeño fragmento de sodio previamente fundido al calor. Veremos cómo se forma una humareda formada por un polvo blanco de cloruro de sodio que se deposita en el fondo y las  paredes del recipiente,  tal como puede verse en este vídeo:https://www.youtube.com/watch?v=5kaVWccdTNQ. La reacción de formación del cloruro de sodio puede representarse como Na (s) + ½ Cl₂ (g) à  NaCl (s)

 

2.- Análisis de lo observado y justificación atómico-molecular

Los diagramas que muestran simplificadamente la estructura atómico-molecular de las sustancias son muy elocuentes a la hora de dar a entender la diferencia entre sustancias puras y mezclas de sustancias; entre elementos y compuestos químicos, entre sólidos, líquidos y gases; o entre moléculas y cristales. Veamos en la figura cómo se muestran para el caso que aquí nos ocupa.

a) Sodio (Na):  En un trozo de este metal sólo hay átomos de sodio juntos y ordenados que forman un cristal. Así se explica que se trata de un elemento químico puro en estado sólido. Su fórmula, Na, nos indica que sólo hay átomos de sodio.

b) Cloro (Cl₂): En una muestra de este gas verdoso sólo hay átomos de cloro, por lo que se trata de un elemento químico, los cuales están unidos de dos en dos formando moléculas diatómicas, por lo que su fórmula es Cl₂. Estas moléculas están desligadas unas de otras y en movimiento, llenando así todo el recipiente, pues se trata de un gas.

c) Cloruro de sodio (NaCl): en un trocito de esta sal se ve que hay átomos de Na y Cl, pero están unidos y en una proporción bien definida, 1:1 en este caso, por lo que se trata de un compuesto químico de cloro y sodio de fórmula NaCl. Como resultado de su enlace químico, iónico en este caso, forman un sólido cristalino (empaquetamiento ordenado de átomos). Comparando con los diagramas primero y segundo, que corresponden a los elemento sodio y cloro, se entiende que el aspecto y propiedades del cloruro de sodio no tengan nada que ver con las de ninguno de los dos elementos que lo componen.

d) Mezcla de cloro y sodio: A diferencia del cloruro de sodio, que es la sustancia química (compuesto) que han formado cloro y sodio al combinarse, representada en el tercer diagrama, aquí aparecen zonas (fases) del elemento sodio y zonas del elemento cloro, manteniendo en cada una la identidad, estructura y propiedades de cada elemento. No hay combinación ni unión entre los átomos de un elemento con los del otro. En consecuencia, no existe cloruro de sodio, sino una mezcla en proporción indefinida de ambos elementos, los cuales mantienen intacta su estructura y propiedades. Un mezcla, por definición, no tiene fórmula química.

En la tabla siguiente se resume el resultado de la interpretación de todas estas observaciones tanto a nivel macroscópico como microscópico. 

 

 

 3.- Conclusión: Generalización de la diferencia entre elemento, mezcla y compuesto químico

Como puede deducirse de la comparación anterior, existe una diferencia clara, que es consecuencia de su estructura atómico-molecular, entre un compuesto químico y los elementos químicos que lo componen, ya sean puros o mezclados unos con otros. La clave es que en el compuesto existe una combinación química en una proporción definida entre los elementos que lo han formado, que deriva de la unión mediante enlace químico de los átomos de dichos elementos. Esto hace que el compuesto sea una sustancia química nueva y diferente a cada uno de los elementos que la han originado, o a su simple mezcla. El tipo de enlace y la estructura en que se disponen los átomos determinará el aspecto y propiedades características de cada sustancia, ya sea ésta elemento o compuesto. Esta generalización se detalla en la siguiente tabla.

Elemento químico	Mezcla de elementos	Compuesto químico
Una sola sustancia química	Varias sustancias químicas	Una sola sustancia química
	Proporción indefinida, composición variable	Proporción definida entre sus elementos. Composición fija
	No hay combinación química entre los elementos componentes	Hay una combinación química entre los elementos componentes
Átomos iguales	átomos de varios elementos	átomos de varios elementos
Fórmula con un solo símbolo	No tiene fórmula química	Fórmula única que incluye varios símbolos
	No hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro	Sí hay enlace químico entre los átomos de un elemento y los de otro
Tiene unas propiedades características	Cada elemento mezclado mantiene sus propias propiedades	Tiene unas propiedades características que no tienen que ver con las de los elementos que lo forman
	Se pueden separar por medios físicos	para separar sus elementos es preciso una reacción química

 

Otros ejemplos para experimentar estas observaciones

Hay otros buenos ejemplos a los que recurrir a la hora de poner en evidencia  la diferencia entre elementos y compuesto o entre mezcla y combinación química. Todos son de fácil disposición en el laboratorio o en nuestro entorno cotidiano y además permiten hacer fácilmente la reacción de combinación entre los elementos para formar el compuesto. Se citan a continuación algunos de estos:

1.- Hierro (Fe), azufre(S) y sulfuro de hierro(II) (FeS).

El hierro se presenta en limaduras o pequeños clavos de aspecto metálico, denso y ferromagnético; el azufre como polvo amarillo muy ligero, y el sulfuro de hierro como polvo negro que no se deja atraer por un imán.

2.- Oxígeno (O₂), hidrógeno (H₂) y agua (H₂O)

La mezcla gaseosa incolora de hidrógeno y oxígeno puede observarse obteniéndola fácilmente en la electrolisis del agua líquida. También es sencillo disponer de los elementos por separado atacando un metal con ácido (desprende hidrógeno) y  calentando un perclorato (se descompone liberando oxígeno)

3.- Oxígeno (O₂), hierro (Fe) y óxido de hierro(III)  (Fe₂O₃)

Aquí tenemos la ventaja de tenar hecha de antemano la observación al disponer en nuestro entorno cotidiano tanto de los elementos libres  como de su combinación, ya que el óxido de hierro(III) es el ocre rojo que se puede apreciar en la herrumbre o en algunos minerales de hierro.

4.- Mercurio (Hg), oxígeno (O₂) y óxido de mercurio(II) (HgO)

Tiene el inconveniente de la manipulación del mercurio (es tóxico), pero la ventaja de poder comparar tres  sustancias de aspecto y propiedades muy diferentes, el mercurio es un líquido metálico plateado y muy denso, el oxígeno un gas incoloro y el óxido de mercurio un sólido en forma de polvo de intenso color rojo. En este caso es más práctico hacer la reacción de descomposición (calentando el óxido para liberar el oxígeno y el mercurio) que la de formación del compuesto.