Tema 4. El átomo y sus uniones
¿Hasta dónde se puede dividir la materia?
La porción más pequeña en que se puede dividir la materia sin que pierda sus propiedades se conoce como átomo.
4.1 | Dibuja un átomo tal y como te lo imaginas.
Un modelo atómico es una representación que describe las partes que tiene un átomo y cómo están dispuestas para formar un todo.
¿Qué tamaño tienen los átomos?
El tamaño medio de un átomo es de una diezmilmillonésima parte de un metro:
4.2 | Si el grosor de un cabello humano es de 70 μm, ¿cuántos átomos cabrían alineados en uno? Utiliza factores de conversión y expresa el resultado en notación científica.
4.3 | Considerando que un átomo fuese esférico y 10-10 m sea su diámetro, calcula su volumen en m3. Compara el resultado con el volumen de la Tierra, teniendo en cuenta que su radio es de 6370 km. Utiliza factores de conversión y expresa los resultados en notación científica.
¿Cómo son por dentro los átomos?
Desde la Antigua Grecia hasta hace poco más de 200 años se creía que los átomos eran pequeñas esferas indivisibles. A partir de entonces, a través de experimentos, se dedujo que el átomo está formado por partículas aún más pequeñas: electrones, protones y neutrones.
4.4 | Estos fueron algunos de los científicos que contribuyeron al estudio del átomo a lo largo de la Historia. Relaciónalos con el nombre y el año correspondientes y realiza una línea del tiempo usando la herramienta que aparece a continuación.
Niels Böhr
Ernest Rutherford
Demócrito
John Dalton
Joseph Thomson
Siglo V a.e.c.
1911
1803
1913
1904
En base al modelo atómico de Bohr:
En el centro, el átomo tiene un núcleo formado por protones y neutrones. En torno al núcleo se mueven los electrones. Entre el núcleo y los electrones no hay nada; el átomo está prácticamente vacío. ▶
Casi la totalidad de la masa de un átomo corresponde al núcleo.
Los protones tienen carga eléctrica positiva, los electrones tienen carga negativa y los neutrones no tienen carga. Cuando un átomo tiene el mismo número de protones (+) que electrones (-) se dice que el átomo es neutro.
Construye un átomo
4.5 | Dibuja en tu cuaderno el esquema de un átomo que tenga cuatro protones y cinco neutrones. ¿Cuántos electrones debes poner para que el conjunto sea neutro?
4.6 | El átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones. Dado que el átomo es eléctricamente neutro, haz un dibujo de cómo están distribuidas las tres partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) en el átomo de helio.
4.7 | Investiga acerca de la masa de las tres partículas subatómicas y compáralas entre ellas.
4.8 | Calcula la masa del átomo del dibujo anterior. Vuelve a calcular la masa del átomo suponiendo que no tiene electrones. Compara los resultados.
4.9 | Calcula la carga neta del átomo del dibujo. Vuelve a calcular la carga del átomo si gana un electrón y si pierde dos.
4.10 | Si las cargas positivas y las negativas se atraen, ¿por qué no acaban siendo atraídos los electrones por el núcleo?
4.11 | Investiga si las partículas subatómicas son partículas elementales o están formadas por otras más pequeñas. En caso afirmativo, anota sus nombres.
¿Cómo se identifican los átomos?
De la misma manera que es posible identificar a una persona por su número del DNI, los átomos se identifican con dos números:
El número atómico (Z) es el número de protones presentes en el núcleo del átomo. Átomos de diferente número de protones dan lugar a los elementos (ver Tabla Periódica).
En los ejemplos de arriba, el primer átomo (tres protones, Z=3) corresponde al elemento berilio (Be); el segundo (Z=20) corresponde al elemento calcio (C); el tercero (Z=6) corresponde al elemento carbono (C); el cuarto (Z=2) corresponde al elemento helio (He).
El número másico (A) es la suma de protones (Z) y neutrones (N) presentes en el núcleo del átomo: A = Z + N.
Un átomo se representa mediante su notación, es decir, el símbolo del elemento correspondiente, el número atómico y el número másico. ▶
4.12 | Escribe la notación de los siguientes átomos neutros:
4.13 | Escribe la notación de los átomos neutros siguientes:
a) Oxígeno (símbolo O) con 8 protones y 8 neutrones en el núcleo.
b) Hierro (símbolo Fe) con 26 protones y número másico 56. ¿Cuántos electrones tiene este átomo?
4.14 | Escribe la notación de los siguientes átomos neutros:
¿Qué ocurre cuando un átomo pierde o gana electrones?
El número de protones de un átomo permanece constante siempre, pero el número de electrones es variable. De esta forma el átomo deja de ser eléctricamente neutro, dando lugar a los iones:
Los iones de carga positiva (cationes, X+) cuando pierden electrones.
Los iones de carga negativa (aniones, X-) cuando ganan electrones.
Así, por ejemplo:
El berilio (Be) neutro tiene 4 protones, 5 neutrones y 4 electrones. El catión berilio (Be2+) tiene también 4 protones y neutrones, pero tiene 2 electrones, porque ha perdido dos.
El flúor (F) neutro tiene 9 protones, 10 neutrones y 9 electrones. El anión flúor (F-) tiene también 9 protones y 10 neutrones, pero tiene 10 electrones, porque ha ganado uno.
4.15 | Calcula el número de protones, neutrones y electrones del ion I-, sabiendo que el número másico del yodo es 127 y el número atómico es 53.
4.16 | Calcula el número de protones, neutrones y electrones del ion N3+, sabiendo que el número másico del nitrógeno es 14 y el número atómico es 7.
4.17 | Rellena la siguiente tabla:
¿Qué ocurre cuando un átomo pierde o gana neutrones?
Los isótopos son átomos del mismo elemento que tienen el mismo número de protones (número atómico, Z), pero diferente número de neutrones, es decir, distinto número másico. La mayoría de elementos químicos tienen varios isótopos con diferente presencia en la naturaleza.
Todos los isótopos de un elemento presentan idénticas propiedades químicas (se trata del mismo elemento), pero distintas propiedades físicas (comportamiento radiactivo, puntos de ebullición y de fusión, etc.).
Unos ejemplo característicos son los isótopos del hidrógeno:
Otros ejemplos son:
El isótopo de carbono más abundante es el carbono-12, con una abundancia relativa de 98,89 %. Le siguen el carbono-13 (1,109 %) y el carbono-14 (10-10 %).
Los dos isótopos comunes del uranio son el uranio-235 (conocido como uranio enriquecido) y el uranio-238. El primero se utiliza en reactores nucleares y en bombas atómicas, mientras que el segundo carece de las propiedades necesarias para tales aplicaciones.
4.18 | Realiza una tabla indicando el número de partículas subatómicas para los tres isótopos del hidrógeno, los tres del carbono y los dos del uranio, así como su notación atómica.
4.19 | Investiga al menos 5 isótopos con aplicaciones en campos como la energía, la medicina, la agricultura o la investigación.
¿Por qué se unen los átomos?
La unión entre dos átomos de denomina enlace químico, es decir, una unión entre dos átomos debidos a atracciones eléctricas. La nueva estructura formada tras la unión se denomina molécula.
Hay veces en que los átomos que forman las moléculas son iguales, entonces la molécula se clasifica como elemento.
Ejemplos: oxígeno (O2), ozono (O3), cloro (Cl2), fósforo rojo (P8), etc.
Otras, las moléculas se forman por la unión de distintos átomos y entonces se les llama compuestos.
Ejemplos: agua (H2O), agua oxigenada (H2O2), dióxido de carbono (CO2), sal (NaCl), etc.
Para escribir las moléculas utilizamos las fórmulas químicas. Se escriben los símbolos atómicos en el mismo orden de grupo que tienen en la tabla periódica. Los símbolos van seguidos de un subíndice numérico (excepto cuando éste sea “1”) que indica el número de átomos de ese tipo presente en la molécula.
Por ejemplo: El cloruro de calcio tiene por fórmula CaCl2, es decir, es un compuesto formado por los elementos calcio y cloro. Por cada átomo de calcio hay dos átomos de cloro.
4.20 | Siguiendo la base del último ejemplo, escribe frases similares para las siguientes sustancias: oxígeno (O2), ozono (O3), cloro (Cl2), fósforo rojo (P8), alcohol (C2H6O), azúcar (C12H22O11) y clorofila (C55H72O5N4Mg).
¿Qué tipos de enlaces hay?
El enlace iónico se produce entre un metal y un no metal, por transferencia de electrones.
El enlace covalente se produce entre dos no metales, por compartición de electrones.
El enlace metálico se produce entre dos metales.
4.21 | Indiqua qué tipo de enlaces se formarían entre los siguientes pares de elementos:
a) Flúor y sodio; b) Calcio y oxígeno; c) Nitrógeno y hidrógeno; d) Cobre; e) Plata; f) Hidrógeno y oxígeno.
Una forma de representar las sustancias y las reacciones es mediante el modelo de bolas y varillas. Cada bola indica un tipo de átomo diferente:
4.22 | De las imágenes anteriores, deduce los tipos de enlaces que hay en cada molécula.
¿Cuánto pesan los átomos?
Se define como unidad de masa atómica (u) a la doceava parte de la masa de un isótopo de carbono-12.
Se trata de un valor aproximado al de la masa de un protón o neutrón, de ahí que el número másico (suma de protones y neutrones) tenga ese nombre.
La masa atómica (relativa) es la masa de un átomo medida por comparación con la unidad de masa atómica. Se trata de una magnitud adimensional, es decir, no tiene unidades.
Por ejemplo, cuando se dice que la masa atómica del nitrógeno es aproximadamente 14, se indica que la masa de un átomo de nitrógeno es 14 veces mayor que la doceava parte del carbono-12.
En la mayoría de las Tablas Periódicas se incluyen las masas atómicas de los elementos.
4.23 | Elabora una tabla con las masas atómicas de veinte elementos de la tabla periódica elegidos al azar.
La masa molecular (relativa) es la suma de las masas atómicas de todos los átomos que forman el compuesto. Tampoco tiene unidades.
La masa molecular del agua, cuya fórmula es H2O, se obtendría de la suma de las masas atómicas de sus correspondientes átomos, es decir, dos átomos de hidrógeno (2 x 1) y un átomo de oxígeno (1 x 16). Por lo tanto, Masa molecular (H2O) = (2 x 1) + (1 x 16) = 18.
4.24 | Calcula la masa molecular de las sustancias de la Actividad 4.20.
4.25 | De las siguientes moléculas, deduce su fórmula, el tipo de enlace que hay en ellas y calcula su masa molecular.
¿Cómo se nombran y formulan las sustancias?
El número de oxidación de un átomo en un compuesto es la carga con la que quedaría al ganar electrones (negativo) o perderlos (positivo).
En la mayoría de las Tablas Periódicas se incluyen los números de oxidación de los elementos más comunes.
Compuestos binarios del oxígeno
Óxidos
Los óxidos son combinaciones del oxígeno con un metal o un no metal (excepto los halógenos). En estos compuestos, el oxígeno siempre presenta número de oxidación -2, y los metales y no metales presentan números de oxidación positivos.
Para formularlos:
Se escribe el símbolo del oxígeno a la derecha del símbolo del otro elemento, con sus números de oxidación.
Se intercambian los valores absolutos de los números de oxidación, colocándolos como subíndices.
Cuando sea posible se simplifican los subíndices a números enteros.
Ejemplos: Cu2O, FeO, N2O3, S2O4...
Para nombrarlos se escribe la palabra óxido de seguida del nombre del otro elemento y se pueden utilizar dos métodos:
Nomenclatura con prefijos numerales: Se indica la proporción de los átomos en la fórmula mediante prefijos numerales: óxido de dicobre (Cu2O), óxido de hierro (FeO), trióxido de dinitrógeno (N2O3), dióxido de azufre (SO2)...
Nomenclatura con números de oxidación: Se indica el número de oxidación del elemento que acompaña al oxígeno, entre paréntesis y en números romanos, excepto cuando solo tenga un único número de oxidación: óxido de cobre(I) (Cu2O), óxido de hierro(II) (FeO), óxido de nitrógeno (III) (N2O3), óxido de azufre(IV) (SO2)...
Actividad 4.26 | Completa las siguientes tablas, nombrando o formulando:
Compuestos binarios del hidrógeno
Hidruros metálicos
Son combinaciones del hidrógeno con un metal, en los que el hidrógeno actúa con número de oxidación -1, y el metal, con algunos de sus números de oxidación positivos.
Para formularlos:
Se escribe el símbolo del hidrógeno a la derecha del símbolo del otro elemento, con sus números de oxidación.
Se intercambian los valores absolutos de los números de oxidación, colocándolos como subíndices.
Ejemplos: NaH, FeH2, NiH3, PbH4...
Se nombran como hidruro de seguido del nombre del metal y se pueden utilizar dos métodos:
Nomenclatura con prefijos numerales: Se indica la proporción de átomos con prefijos numerales: hidruro de sodio (NaH), dihidruro de hierro (FeH2), trihidruro de níquel (NiH3)...
Nomenclatura con números de oxidación: Se indica el número de oxidación del metal, entre paréntesis y en números romanos cuando sea necesario: hidruro de sodio (NaH), hidruro de hierro (II) (FeH2), hidruro de níquel (III) (NiH3)...
4.27 | Completa las siguientes tablas, nombrando o formulando:
Sales binarias
Sales neutras
Son las combinaciones entre un metal y un no metal. El metal actúa con uno de sus estados de oxidación positivo, y el no metal, con el único negativo que tiene.
Para formularlos:
Se escribe primero el símbolo del metal, seguido del no metal, junto a sus números de oxidación.
Se intercambian los valores absolutos de los números de oxidación.
Cuando sea posible se simplifican los subíndices a números enteros.
Ejemplos: NaCl, Al4C3, Sn2Te4 => SnTe2...
Para nombrarlos se escribe el nombre del no metal terminado en uro, seguido del metal. Se pueden usar dos sistemas:
Nomenclatura con prefijos numerales: Se indica la proporción de átomos con prefijos numerales: cloruro de sodio (NaCl), tricarburo de tetraaluminio (Al4C3), ditelururo de estaño (SnTe2)...
Nomenclatura con números de oxidación: Se indica el número de oxidación del metal, entre paréntesis y en números romanos cuando sea necesario: cloruro de sodio (NaCl), carburo de aluminio (Al4C3), telururo de estaño (IV) (SnTe2)...
4.28 | Completa las siguientes tablas, nombrando o formulando:
