UNIDAD II: ÁTOMOS Y ELEMENTOS
OBJETIVOS CONTENIDO
1. Explicar los conceptos y principios relacionados con la estructura atómica antigua y moderna de los elementos. 2. Fomentar hábitos de atención y
participación.
1. Elementos y símbolos.
2. El átomo: partículas sub-atómicas, núcleo del átomo, numero atómico y numero de másico, isotopo, peso atómico.
CONTENIDO
1.1. ¿QUÉ ES LA QUÍMICA?
La química, es la ciencia que se encarga del estudio de la composición, estructura y propiedades de la materia, como los cambios que ésta experimenta durante las reacciones químicas y su relación con la energía.
El objeto de estudio de la química es la materia.
Materia es todo lo que tiene masa y volumen. Masa y volumen son las propiedades generales de la materia.
1.2. Sustancia
Las sustancias comprenden todos los objetos que en la vida cotidiana se tocan, observan y huelen. Incluso el organismo humano también está formado por sustancias, así como todo lo que lo rodea, hasta este folleto y el aire que respiramos. Cada clase de materia se llama sustancia. ¡La materia química se encuentra en todos lados! De hecho el único sitio donde no aparece es en el vacío.
Muchas sustancias químicas aparecen en forma natural en nuestro alrededor o son producidas por los seres vivos, sean plantas o animales. Las rocas y la arena; el hierro, el oro, la plata y el cobre; el algodón y la lana; el azúcar y la sal, constituyen algunos ejemplos de materiales comunes que el hombre ha usado desde épocas ancestrales, ya sea para construir albergues, para vestirse y alimentarse.
Las sustancias difieren entre sí por su composición pues están constituidas por elementos y a su vez por átomos.
Elementos: unidad básica de la materia o parte más sencilla de una sustancia pura, formada por una sola clase de átomos.
Átomos: Porción más pequeña de sustancia que se puede intervenir en un cambio o reacción química. La unidad básica de un elemento que puede entrar en combinación química.
Las sustancias para su estudio teniendo en cuenta el número de elementos pueden clasificarse en sustancias simples y sustancias compuestas.
En el caso de las llamadas sustancias simples están formadas por átomos de un mismo elemento químico, por ejemplo el oxígeno que respiramos es una sustancia simple; mientras que en el caso de las sustancias compuestas, están formadas por átomos de diferentes elementos químicos y en cada compuesto sus elementos se hallan siempre presentes en las mismas proporciones de masa, por ejemplo el agua que se utiliza para asearte o tomar es una sustancia compuesta y está constituida por dos elementos: hidrógeno y oxígeno.
2. Elemento químico 2.1. Elementos
fundamentales. Afortunadamente para las personas que tratan de comprender y sistematizar los conocimientos, la naturaleza suele emplear cantidades relativamente pequeñas de unidades fundamentales para formar materiales de gran complejidad. Por ejemplo las proteínas, grupo de sustancias que sirven en el cuerpo humano de formas muy diversas, se forman todas ellas por enlaces de ciertas unidades fundamentales para dar lugar a moléculas de gran tamaño.
La abundancia de los elementos es muy variable. De hecho, solo nueve de ellos se encuentran en la mayoría de los compuestos de la corteza terrestre.
En la siguiente tabla se da una lista de los elementos por orden de abundancia (porcentaje en masa) en la corteza terrestre, en los océanos y en la atmósfera. Obsérvese que casi la mitad de la masa se debe únicamente al oxígeno. Asimismo, los nueve elementos más abundantes constituyen más del 98% de la masa total.
Elemento Masa porcentual Elemento Mas porcentual
Oxígeno 49.2 Titanio 0.58
Silicio 25.7 Cloro 0.19
Aluminio 7.50 Fósforo 0.11
Hierro 4.71 Manganeso 0.09
Calcio 3.39 Carbono 0.08
Sodio 2.63 Azufre 0.06
Potasio 2.40 Bario 0.04
Magnesio 1.93 Nitrógeno 0.03
Hidrógeno 0.87 Flúor 0.03
Todos los demás 0.49
El oxígeno, además de constituir cerca del 20% de la atmósfera terrestre (en donde se encuentra en forma de molécula de O2), se encuentra prácticamente en todas
las rocas, arena y tierra de la corteza terrestre. En estos materiales el oxígeno no está en forma de O2, sino que existe en compuestos que suelen contener silicio y
aluminio.
Elementos principales Masa porcentual Trazas de elementos (en orden alfabético)
Oxígeno 65.0 Arsénico
Carbono 18.0 Cromo
Hidrógeno 10.0 Cobalto
Nitrógeno 3.0 Cobre
Calcio 1.4 Flúor
Fósforo 1.0 Yodo
Magnesio 0.50 Manganeso
Potasio 0.34 Molibdeno
Azufre 0.26 Níquel
Sodio 0.14 Selenio
Cloro 0.14 Silicio
Hierro 0.004 vanadio
cinc 0.003
El oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno constituyen la base de todas las moléculas con importancia biológica. Algunos elementos del cuerpo (llamados trazas de elementos) son indispensables para la vida aunque estén presentes en cantidades diminutas. Por ejemplo, el cromo ayuda al cuerpo a procesar los azúcares para obtener energía.
Elemento químico: Es toda aquella sustancia que no se puede descomponer en
otras más simples mediante procesos químicos. Ejemplos de elementos son: cobre, oro, sodio, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno.
2.2. Nombres y símbolos
Para representar a los elementos se emplea un conjunto de símbolos químicos que son combinaciones de letras. La primera letra del símbolo químico es siempre mayúscula acompañada por una segunda y hasta una tercera, que son siempre minúsculas.
(aurum), plomo (plumbum), otros están relacionados con una zona geográfica, el galio ( Ga ) y el germanio ( Ge ). Uno sólo, el del tungsteno, W, proviene de la palabra en alemán Wolfram.
Otros ejemplos:
Símbolo Elemento Símbolo Elemento Símbolo Elemento Ag plata ( argentum ) Ga galio S azufre
Al aluminio Hg mercurio Tb terbio Au oro ( aurum ) I yodo Tm tulio
Be berilio K potasio U uranio
Br bromo Li litio Uun ununnibio
C carbono Mg magnesio Unq ununcuadio Ca calcio Mn manganeso V vanadio
Cs cesio Ni níquel Xe xenón
Dy disprosio O oxígeno Y itrio
Er erbio Os osmio Yb iterbio
F flúor P fósforo Zn zinc
Fr francio Re renio Zr zirconio
2.3. Electrones, protones, neutrones, número atómico y número másico
La unidad fundamental de un elemento es el átomo. Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que posee las características de ese elemento. A su vez, los átomos están compuestos por las siguientes tres partes:
Electrones: son partículas de carga negativa y muy poca masa ubicadas en una ´´nube´´ alrededor del núcleo del átomo. Los electrones son las partículas involucradas en los enlaces y las reacciones químicas. Un átomo neutro (sin carga eléctrica) tiene el mismo número de electrones que protones. Sin embargo, cuando un átomo pierde electrones, adquiere una carga positiva (tendrá más protones que electrones). En cambio, si un átomo gana electrones, su carga es negativa, pues tendrá más electrones que protones.
Protones: son las partículas que confieren la identidad a un elemento. Todos los átomos de un mismo elemento poseen el mismo número de protones. Estas partículas poseen carga positiva y están ubicadas en el núcleo de un átomo. Los protones contribuyen a la masa atómica, junto con los neutrones. Al número de protones se le denomina número atómico y se representa con la letra Z. Como se mencionó anteriormente, en un átomo neutro, el número atómico o número de protones es igual al número de electrones en el átomo.
Número Atómico (Z)
Hoy en día se ha determinado que las propiedades de los elementos varían de manera periódica conforme asciende su número de protones (número atómico).
Neutrones:son partículas neutras (sin carga eléctrica) ubicadas en el núcleo de un átomo. Al igual que los protones, los neutrones contribuyen a la masa atómica.
Partícula Símbolo Masa relativa* Carga relativa
electrón e- 1 1-
protón P+ 1836 1+
neutrón n 1839 Ninguna
* Al electrón se le asigna arbitrariamente la masa 1 para comparación
Número másico
La masa de un átomo determinado depende del número de protones y de neutrones que se encuentren en su núcleo. A la suma de estos, protones y neutrones, se le denomina número másico y se representa con la letra A.
Número Másico (A)
A = # de protones + # de neutrones
Es posible que átomos de un mismo elemento difieran en número de neutrones en su núcleo; es decir, que tengan diferentes números másicos. A estos núclidos se les denomina isótopos.
2.4. ISÓTOPOS
Un mismo elemento químico puede estar constituido por átomos diferentes, es decir, sus números atómicos son iguales, pero el número de neutrones es distinto. Estos átomos se denominan isótopos del elemento en cuestión. Isótopos significa "mismo lugar", es decir, que como todos los isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico, ocupan el mismo lugar en la Tabla Periódica.
Por tanto:
Si a un átomo se le añade un protón, se convierte en un nuevo elemento químico
Se conocen 3 isótopos del elemento hidrógeno: 11𝐻es el hidrógeno ligero, el más abundante, con un protón y cero neutrones. El 12𝐻 es el deuterio (D), cuyo núcleo alberga un protón y un neutrón y el 13𝐻 es el tritio (T), cuyo núcleo contiene un protón y dos neutrones.
Los isótopos del carbono son 116𝐶 (6 protones y cinco neutrones), 126𝐶 (6 protones y seis neutrones), 136𝐶 (6 protones y siete neutrones) y 14
6C (6 protones y ocho
neutrones).
En el caso del cloro Z=17 y A=35. Sin embargo, si miramos en la Tabla Periódica, la masa atómica del cloro natural es de 35,5. Cuando la masa de un elemento químico es fraccionaria, resulta evidente que dicho elemento estará constituido por una mezcla de sus distintos isótopos.
Así, el cloro natural (masa atómica 35,5) estará formado por la mezcla de los isótopos 35Cl y 37Cl. Si aplicamos la ley de mezclas, se puede calcular fácilmente
Para determinar el número de neutrones en un átomo en particular, sencillamente se resta el número de protones al número másico.
Ya que un átomo de un elemento puede variar en número másico, como es el caso de los isótopos, se hace necesario representar los diferentes átomos de un elemento de alguna forma que indique su diferencia. Por convención, se puede representar un átomo de cualquier elemento colocando el símbolo del elemento al centro con su número másico al lado superior y su número atómico al lado inferior. (En idioma Inglés, A y Z, los números másicos y atómicos, se colocan a la izquierda del símbolo. Sin embargo, en Español, A y Z se colocan a la derecha del símbolo.) En el siguiente esquema, X es el símbolo del elemento.
Ejemplo 1:
Un átomo de cloro tiene 20 neutrones en su núcleo. Represente este núclido. ¿Cuántos protones y electrones poseen su átomo neutro?
Solución: El número atómico (Z) del cloro es 17, puesto que identifica al elemento. El número másico (A) es Z + el número de neutrones (17 + 20 = 37). El símbolo del cloro es Cl. Entonces, este núclido se representa así:
𝐶𝑙
17
37 El átomo neutro posee 17 protones (dado por el número másico) y 17
electrones.
A -Número másico (protones +neutrones)
X
Ejemplo 2:
Un isótopo de un elemento es representado de la siguiente manera 𝐹919. Determine el número de protones, electrones, neutrones, número másico, número atómico y la identidad del elemento.
Solución: El símbolo y el número atómico señalan que se trata del elemento flúor. Por la carga eléctrica indicada en el lado derecho superior, la partícula en cuestión es el ION flúor. El número atómico y número de protones es 9, como se puede ver al lado inferior. El número másico es 19, como se ve al lado superior. El número de neutrones puede calcularse restando A-Z (19 – 9) y es 10. El número de electrones es 10, puesto que la partícula tiene carga negativa, indicando que tiene un electrón más que el átomo neutro.
Elemento Número de
protones
Número de electrones
Número de neutrones
Número másico
Número atómico
Flúor 9 9 10 19 9
Ejemplo 3:
Escriba el símbolo el átomo de plata (Z=47) que tiene 61 neutrones.
Solución: El símbolo del elemento de plata es 𝐴𝑍𝐴𝑔, y se sabe que Z=47. Se calcula A según la definición A= Z+ número de neutrones. En este caso
A= 47 + 61 = 108
