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La química inorgánica es una rama fundamental de la química dedicada al estudio de los elementos de la tabla periódica y de sus compuestos, con excepción de la mayoría de los hidrocarburos y sus derivados. Analiza su formación, composición, estructura y reactividad, y su definición ha evolucionado desde enfoques empíricos hasta aproximaciones analíticas y teóricas sustentadas en los conceptos de la química física y la mecánica cuántica. Su objeto de estudio abarca desde compuestos sencillos, como sales, óxidos, hidróxidos, ácidos oxácidos y peróxidos, hasta complejos de coordinación y materiales inorgánicos avanzados, lo que evidencia la gran diversidad de sistemas químicos posibles.

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Estructura microscópica del vidrio (izquierda), vitrocerámica (centro) y cerámica (derecha).

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Aplicación en el desarrollo y sintesis de materiales

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Aplicación en el desarrollo y sintesis de materiales

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La producción de materiales inorgánicos es, quizás, una de las aplicaciones más tradicionales y a la vez innovadoras de la química inorgánica. La síntesis de metales, cerámicas y vidrios ha sido esencial tanto en la construcción y fabricación de infraestructuras como en el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados. La fabricación de catalizadores, por ejemplo, se fundamenta en la producción de materiales inorgánicos de alta pureza y superficie controlada, capaces de favorecer la rapidez y selectividad de reacciones químicas críticas en procesos industriales.

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El análisis NIR (Infrarrojo Cercano) en la industria alimenticia permite evaluar de manera rápida y no destructiva parámetros como humedad, contenido de grasas, proteínas y carbohidratos en alimentos, optimizando procesos de control de calidad y asegurando productos más uniformes y seguros.

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En la industria alimentaria, la química inorgánica se manifiesta en múltiples aplicaciones que van desde la mejora de la calidad y conservación de los alimentos hasta el desarrollo de envases inteligentes. La formulación de aditivos y conservantes basados en compuestos inorgánicos es fundamental para prolongar la vida útil de los productos, previniendo el crecimiento de microorganismos y la degradación química que podría comprometer la seguridad alimentaria.

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Estructuras moleculares de los compuestos de coordinación de platino(II) utilizados como agentes quimioterapéuticos contra el cáncer. 

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Aplicación en la medicina y farmacología 

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Aplicación en la medicina y farmacología 

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La influencia de la química inorgánica en la medicina es profunda y se manifiesta en diversas áreas, desde el desarrollo de agentes terapéuticos hasta el diseño de dispositivos biomédicos. Uno de los ejemplos más conocidos es el cisplatino, un complejo metálico utilizado como agente quimioterapéutico en el tratamiento de diversos tipos de cáncer. Su eficacia radica en su capacidad para interactuar con el ADN y ocasionar la muerte selectiva de células tumorales, lo que ha abierto la puerta a la formación de nuevos compuestos inorgánicos para tratamientos oncológicos.

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Aplicación en la producción y almacenamiento de energía

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Aplicación en la producción y almacenamiento de energía

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La transición hacia una matriz energética más limpia y eficiente se encuentra estrechamente vinculada con los avances en la química inorgánica, que permite el desarrollo de materiales críticos para la producción, conversión y almacenamiento de energía. En este sentido, las pilas y baterías modernas se benefician de la utilización de electrolitos inorgánicos y materiales activos en los electrodos que mejoran tanto la capacidad como la vida útil de estos dispositivos.

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Cómo Funcionan las Baterías - Principios de Funcionamiento de la Electricidad de las Baterías

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Diagrama del mecanismo fotocatalítico del TiO₂ bajo radiación UV-C, donde se generan electrones (e⁻) y huecos (h⁺) que promueven reacciones de reducción del oxígeno y oxidación del agua, transformando el aire contaminado en aire puro.

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La creciente preocupación por la contaminación y la degradación del medio ambiente ha impulsado el desarrollo de soluciones basadas en la química inorgánica para mitigar estos problemas. Los compuestos inorgánicos se han utilizado en el tratamiento y purificación de aguas residuales, la remediación de suelos contaminados y la eliminación de contaminantes en la atmósfera, consolidándose como herramientas esenciales en la protección ambiental.

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La agricultura moderna demanda soluciones que incrementen la productividad y, a la vez, protejan el medio ambiente. En este contexto, la química inorgánica juega un papel esencial al facilitar la síntesis de fertilizantes y agroquímicos que aseguran el crecimiento óptimo de las plantas. La producción de compuestos inorgánicos como fosfatos, nitratos y potasas ha permitido el suministro de nutrientes esenciales, contribuyendo a la mejora de la calidad del suelo y al incremento de la producción agrícola.

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Movimiento de electrones del material tipo N hacia el tipo P en una unión PN de semiconductor

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Aplicaciones en la tecnologia de la información

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Aplicaciones en la tecnologia de la información

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La revolución digital y el avance en la tecnología de la información han sido impulsados, en parte, por el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos basados en compuestos inorgánicos. La industria electrónica depende en gran medida de semiconductores, circuitos integrados, pantallas y dispositivos optoelectrónicos, todos los cuales requieren materiales con propiedades precisas de conductividad, rechazo térmico y estabilidad química.

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El bloque s comprende los elementos cuya configuración electrónica termina en un orbital s (ns¹ o ns²). Estos elementos se sitúan en los grupos 1 (metales alcalinos) y 2 (metales alcalinotérreos) de la tabla periódica, junto al hidrógeno (H) y el helio (He). Se caracterizan por tener hasta dos electrones de valencia, lo que les confiere una reactividad elevada y tendencias periódicas muy marcadas. En total, el bloque s incluye 14 elementos: H, He, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr y Ra.

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Propiedades de los metales alcalinotérreos

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Propiedades de los metales alcalinotérreos

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Los metales alcalinotérreos poseen dos electrones en su capa de valencia, lo que los lleva a formar cationes M²⁺ al reaccionar. Presentan radios atómicos más pequeños y mayor densidad de carga que los alcalinos, lo que se traduce en mayor dureza y puntos de fusión y ebullición más altos. Aunque la mayoría de sus compuestos son iónicos, exhiben un carácter algo más covalente, en especial Be y Mg debido a su alto poder de polarización. La solubilidad de sus compuestos muestra tendencias claras: los hidróxidos y sulfuros aumentan su solubilidad al descender en el grupo, mientras que carbonatos y sulfatos la disminuyen. Sus óxidos e hidróxidos son básicos, salvo BeO y Be(OH)₂ que presentan carácter anfótero. Finalmente, reaccionan con agua de manera menos violenta que los alcalinos: Ca, Sr y Ba liberan H₂, mientras que Be y Mg apenas reaccionan con agua fría.

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Niels Bohr fue un físico danés que hizo contribuciones fundamentales a la comprensión de la estructura atómica. 

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El término “bloque s” surgió en el siglo XX, gracias a los avances en la teoría atómica. En 1923, Niels Bohr propuso que los electrones ocupaban niveles y subniveles definidos, y en los años 40 Glenn Seaborg consolidó el uso de los bloques electrónicos (s, p, d, f) en la tabla periódica. De esta manera, los elementos que terminaban en orbitales s pasaron a formar una clasificación propia: el bloque s.

Su historia inicia con el descubrimiento del hidrógeno por Cavendish en 1766 y del helio en 1868 en el espectro solar, aislado en la Tierra en 1895. Los metales alcalinos fueron reconocidos progresivamente: Davy aisló sodio y potasio en 1807, y poco después magnesio, calcio, estroncio y bario (1808). El litio fue identificado en 1817, mientras que rubidio y cesio fueron descubiertos entre 1860 y 1861 mediante espectroscopía, y el francio en 1939 gracias a estudios radiactivos. En el grupo de los alcalinotérreos, el berilio fue aislado en 1798 y el radio descubierto en 1898 por los Curie, destacando su carácter radiactivo.

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Los metales alcalinos se distinguen por tener un solo electrón en su capa de valencia, lo que les da alta reactividad y facilidad para formar cationes M⁺. Presentan radios atómicos grandes que aumentan al descender en el grupo y energías de ionización bajas, lo que favorece la pérdida de electrones. Son elementos de baja densidad y con puntos de fusión y ebullición bajos debido a sus enlaces metálicos débiles. Forman compuestos altamente iónicos y solubles en agua, reaccionan vigorosamente con el agua liberando hidrógeno gaseoso y sus sales pueden identificarse mediante la prueba de flama, que muestra colores característicos para cada metal.

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Los elementos que mantienen sus electrones de valencia en los orbitales p más externos se denominan elementos del bloque p; este bloque se encuentra en el lado derecho de la tabla periódica y contiene 35 elementos. El bloque p es el más diverso presente en la tabla, ya que contiene elementos de carácter: metálico, metaloides, no metálicos, halógenos y gases nobles o inertes.

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Abarca los grupos del 13 al 18 de la tabla periódica.

Estos elementos tienen la capacidad de ganar, perder o compartir electrones, lo que da lugar a una variedad de compuestos químicos esenciales para la vida y la tecnología.

Su configuración electrónica general varía de ns² np¹ a ns² np⁶, lo que refleja su amplio espectro de comportamiento químico.

Las propiedades químicas de los elementos del bloque p están determinadas por sus estados de oxidación, electronegatividad y tamaño atómico.

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Son brillantes, buenos conductores de calor y electricidad, y pierden electrones con facilidad. Generalmente, estos metales tienen puntos de fusión más bajos a diferencia de los metales de transición y reaccionan fácilmente con no metales para formar compuestos iónicos.

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Propiedades de los no Metales del Bloque p

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Propiedades de los no Metales del Bloque p

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Tienen puntos de ebullición bajos, son malos conductores y no pierden electrones fácilmente. Algunos no metales son sólidos a temperatura ambiente, mientras que otros son gases; esto debido a la variación de la fuerza de las interacciones intermoleculares, que a su vez depende de la masa molecular y la polarizabilidad de los átomos.

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Propiedades de los Metaloides del Bloque p

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Propiedades de los Metaloides del Bloque p

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Los metaloides tienen propiedades intermedias entre metales y no metales: físicamente son lustrosos pero frágiles, y su capacidad conductora eléctrica y térmica es moderada, usualmente como semiconductores. Químicamente, tienen energías de ionización y electronegatividades intermedias, y sus óxidos suelen ser anfóteros o ligeramente ácidos. Su posición en la tabla periódica es en una línea diagonal que separa metales y no metales, lo que refleja su naturaleza híbrida. Estas características los hacen fundamentales en aplicaciones tecnológicas avanzadas, como en la fabricación de semiconductores, catalizadores, aleaciones, vidrios ópticos y componentes electrónicos.

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Los elementos del bloque p comprenden seis grupos con configuraciones electrónicas, lo que determina sus estados de oxidación y su reactividad química. El Grupo 13 suele formar compuestos con estado de oxidación 3+; el Grupo 14 muestra 4+ y 2+, con gran diversidad en enlaces covalentes; el Grupo 15 presenta 3-, 3+ y 5+ y su reactividad disminuye con el número atómico; el Grupo 16 tiene 2-, 4+ y 6+, con óxidos que pueden ser ácidos, básicos o anfóteros; el Grupo 17 es altamente reactivo y no se encuentra libre en la naturaleza; y el Grupo 18 posee capa de valencia cerrada, alta energía de ionización y baja reactividad.

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Introduction to p-block elements | The p-block elements | Chemistry | Khan Academy

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Propiedades de los metales de transición

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Propiedades de los metales de transición

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Con respecto a su participación en las reacciones, estos juegan un papel esencial debido a su configuración electrónica y la gran variedad de estados de oxidación que poseen. A medida que se desplaza de izquierda a derecha por la primera serie de transición, el número de estados de oxidación aumenta hasta alcanzar un máximo hacia la mitad de la tabla, posterior a esto disminuye. Es posible sintetizar nuevas adiciones, en 2014 los investigadores lograron sintetizar un nuevo estado de oxidación del iridio, +9, como parte del cation [IrO4]⁺.

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Las antiguas civilizaciones conocía el cobre, hierro, plata y el oro, con excepción al hierro,estos minerales naturales pueden contener altas concentraciones de estos metales en forma elemental, el hierro se encuentran de manera oxidada como óxido de hierro (Fe₂O₃). Luego de un gran periodo de tiempo las civilizaciones desarrollaron la fundición del hierro, pudiendo extraer un el elemento natural y poder fabricar herramientas de hierro como algo común.

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Los elementos del bloque d se dividen en la primera serie de transición, desde el escandio (Sc) hasta el cobre (Cu), la segunda serie va desde el itrio (Y) hasta la plata (Ag), la tercera serie desde el hafnio (Hf) hasta el oro (Au) incluyendo el lantano (La), por último la cuarta serie de transición conocida como superactínidos comienza con el actinio (Ac) incluyendo el rutherfordio (Rf) y el roentgenio (Rg).

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Conocidos como metales de transición debido, estos elementos ocupan el grupo d en la tabla periódica, elementos se encuentran en el centro de la tabla periódica, entre el bloque s y el bloque p. Poseen una configuración electrónica, siguiente del gas noble, que varía de la siguiente manera [ns¹⁻² (n-1)d¹⁻¹⁰], por ejemplo el cromo (Cr) posee una configuración electrónica de [Ar]4s¹3d⁵.

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Los elementos de la primera serie de transición que producen iones con carga de 2+ o 3+ son estables en el agua, algo curiosos es los primeros elementos de esta serie son facilmente oxidados por el aire.

Los elementos de la segunda y tercera serie suelen ser más estables en estados de oxidación, los números de estados oxidación más altos corresponden a pérdido de la mayoría de electrones en los orbitales s y d de sus capas de valencia. Eliminar electrones de estos elementos se facilita por su radio (incrementa al descender en los grupos en la tabla periódica). Por ejemplo el molibdeno (Mo) y el wolframo (W), miembros del grupo 6, están limitados en su mayoría a un estado de oxidación de 6+ en disolución acuosa.

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Los lantánidos forman cationes acuosos estables 3+, la fureza impulsora de estas oxidaciones es simliar a la de los metales alcalinotérrreos como el Be o el Mg, en contraste el platino y el oro tienen potenciales de reducción mucho mayores el (oro ≈+1.50 V), con una capacidad de oxidarse muy pobre siendo utilizado en joyería.

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Los metales de transición son reconocidos por los coloridos complejos que producen, esta variación del color se debe a sus estados de oxidación, este fenómeno se debe a sus orbitales d, se desdoblan en diferentes niveles de energía debido a las interacciones con otros átomos, como los ligandos en un complejo metálico que repelen los electrones de el orbital d. Esto permite que los electrones d "salten" entre estos niveles de energía (transiciones d-d) al absorber ciertas longitudes de onda de la luz visible, las que no logra absorber resultan en los colores que percibimos.

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El bloque f de la tabla periódica está formado por los elementos cuyos electrones diferenciadores entran en los orbitales f, comprendiendo a los lantánidos (del lantano, Z=57, al lutecio, Z=71) y a los actínidos (del actinio, Z=89, al lawrencio, Z=103). Estos elementos suelen representarse en la parte inferior de la tabla periódica para no alargarla, y se caracterizan por tener configuraciones electrónicas complejas, radios atómicos irregulares y múltiples estados de oxidación; los lantánidos son conocidos como “tierras raras” y se utilizan ampliamente en imanes, láseres y materiales fosforescentes, mientras que muchos actínidos son radiactivos, destacando el uranio y el plutonio por su uso en energía nuclear.

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Tendencia de complejación y radioactividad

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Tendencia de complejación y radioactividad

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Los iones lantánidos, principalmente en estado +3, forman complejos preferentemente con ligandos oxigenados como carbonatos, fosfatos y óxidos. Los actínidos, al poseer varios estados de oxidación y orbitales más accesibles, tienen una química de coordinación mucho más diversa, con especies solubles variadas.

Mientras la mayoría de los lantánidos son estables, los actínidos poseen núcleos inestables y sufren desintegraciones radiactivas. Esto conlleva riesgos ambientales y biológicos, pero también aplicaciones en la datación geológica, la producción de energía y el uso en medicina nuclear.

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Configuración electrónica y contracción lantánida y actínida

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Configuración electrónica y contracción lantánida y actínida

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Los electrones diferenciadores de estos elementos se ubican en orbitales f. En los lantánidos se van llenando los orbitales 4f y en los actínidos los 5f. Estos orbitales son difusos y poco penetrantes, lo que hace que influyan menos en los enlaces, pero determinan propiedades como el radio atómico, los estados de oxidación y el magnetismo.

Al avanzar en cada serie aumenta la carga nuclear y los radios atómicos disminuyen progresivamente. Como los electrones f no protegen bien la atracción nuclear, se produce una contracción notable. Esto explica la semejanza química entre elementos vecinos y la dificultad de separarlos, además de afectar su solubilidad y reactividad.

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Estados de oxidación y propiedades de los elementos del Bloque f

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Estados de oxidación y propiedades de los elementos del Bloque f

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En los lantánidos predomina el estado +3, aunque algunos pueden estabilizar +2 o +4. En los actínidos, en cambio, los estados de oxidación son más variados, desde +3 hasta +6 o incluso +7 en algunos casos. Esto se debe a que los orbitales 5f están menos estabilizados y participan más en los enlaces que los 4f.

Propiedades magnéticas y espectroscópicas

Los lantánidos presentan colores característicos y un magnetismo peculiar debido a la poca superposición de los orbitales 4f. Esto los hace útiles en luminóforos, láseres e imanes permanentes. En los actínidos, los orbitales 5f tienen mayor participación en los enlaces y muestran comportamientos magnéticos más complejos, influenciados también por efectos relativistas.