3 E S O Rafael Jiménez Prieto Pastora M.ª Torres Verdugo FÍSICAQUÍMICAY INCLUYE 12LICENCIAMESES PROYECTO DIGITAL
Rafael Jiménez Prieto Pastora M.ª Torres Verdugo
3 E S O
1 Las magnitudes y su medida. El trabajo científico 10 1 ¿Cómo trabajan los científicos? 12 2 Magnitudes y unidades 16 3 La medida y el tratamiento de los datos 21 4 El laboratorio de ciencias 23 2 Los sistemas materiales. Disoluciones 34 1 Los sistemas materiales 36 2 Teoría cinético-molecular 39 3 Disoluciones y coloides 42 4 Concentración de una disolución 44 3 La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos 56 1 ¿Cómo surge la idea del átomo? 58 2 Hacia un modelo para el átomo 61 3 ¿Qué sabemos del átomo en la actualidad? 63 4 Isótopos y radiactividad 67 5 ¿Cómo se agrupan los átomos? 69 Tras las huellas de la ciencia 81 4 Elementos y compuestos. Tabla periódica 82 1 Elementos y compuestos 84 2 Los elementos y la tabla periódica 87 3 El concepto de mol 92 4 ¿Qué es la masa molar? 94 5 Las reacciones químicas. Introducción a la estequiometría 104 1 Los cambios en la materia 106 2 Ley de conservación de la masa 110 3 Ecuaciones químicas 111 4 Estequiometría de las reacciones químicas 115 5 Reacciones químicas de interés 118Índice2 Y ESTO NO ES TODO... Averígualo!
143
9 Ciencia y sociedad. El reto del desarrollo sostenible
1 ¿En qué consiste la electrización? Las fuerzas eléctricas. Ley de Coulomb El movimiento de cargas: la corriente eléctrica Los imanes y el magnetismo Electromagnetismo
172 2
174 3
Anexo. Introducción a la nomenclatura y formulación inorgánica
227
196 3
238 3Índice
1 Las fuerzas y sus efectos Fuerzas de especial interés Movimientos rectilíneos Las leyes de la dinámica
154
162
179 5
202 5
177 4
216
218 2
1 La importancia del conocimiento científico El desafío del desarrollo sostenible La investigación científica
Proyecto de investigación
Proyecto de investigación 166
199 4
194 2
204
6 Las fuerzas y sus efectos. Movimientos rectilíneos
8 Circuitos eléctricos. Aplicaciones de la corriente eléctrica 192
157
1 ¿Qué son los números de oxidación?
137 4
128
3 Formulación y nomenclatura de compuestos binarios Formulación y nomenclatura de compuestos ternarios
1 El circuito eléctrico Magnitudes de la corriente eléctrica Ley de Ohm Energía y potencia de un circuito eléctrico ¿Cómo se produce la corriente eléctrica?
224 3
158 4
156
134 3
181
130 2
2 Formulación y nomenclatura de elementos e iones monoatómicos
Tras las huellas de la ciencia
7 Fuerzas eléctricas y magnéticas. Electromagnetismo 170
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(Valora tu aprendizaje)
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(Aplica lo aprendido y crea conocimiento)
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(Prepárate para el aprendizaje)
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¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ…?
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Con estas preguntas descubrirás lo que conoces del tema antes de comenzarlo.
CÓMO ES TU LIBRO
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ACTIVIDADES PARA CONSTRUIR CONOCIMIENTO
Realiza esta actividad en el aula o fuera de ella (aula invertida) antes de que tu profesor o profesora dé su explicación. Reflexiona sobre el trabajo realizado y la forma de hacerlo.
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EXPOSICIÓN DE SABERES
Adquiere los saberes que te presentamos en el texto y ayúdate de los esquemas explicativos, tablas, imágenes comentadas, etc.
ACTIVIDADES PARA DESARROLLAR LA COMPETENCIA MATEMÁTICA Y EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA
Practica y afianza tu aprendizaje realizando estas actividades.
Utiliza el QR Saber algo más que encontrarás en algunas páginas de la unidad para ampliar la información sobre el concepto que estás trabajando.
En el laboratorio realiza estos experimentos sencillos y trabaja como lo hacen los científicos en su día a día.
Organiza tus ideas, repasa y consolida los saberes básicos aprendidos en la unidad.
Para afianzar este conocimiento realiza la actividad o actividades que se proponen al final de este apartado.
Amplía los contenidos estudiados en la unidad, avanzando en el logro de tu competencia matemática y científica.
De cada saber básico tienes lo más importante en un esquema previo, y a continuación un resumen para que lo recuerdes más fácilmente.
Secciones finales
6
Trabaja esta situación de aprendizaje. Lee con atención la situación que se plantea y que te permitirá saber lo que vas a investigar. Sigue el procedimiento de trabajo a través de los diferentes apartados con preguntas que te irán guiando para el desarrollo de la actividad.
Para finalizar la unidad contesta a estas 10 preguntas tipo test y valora tu aprendizaje comprobando las soluciones en el QR.
Te proponemos dos proyectos de investigación completos –ubicados tras las unidades 6 y 9–, con los que practicarás y consolidarás tus destrezas científicas.
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Aprende a aplicar el método científico en sencillas experiencias relacionadas con tu entorno cotidiano. De esta forma mejorarás tu competencia en ciencia y tecnología.
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➚ Cloruro de hidrógeno Se forma por la combinación de átomos de cloro (Cl) y de hidrógeno (H) en una proporción 1:1, con independencia del modo de preparación utilizado.
La teoría atómica de Dalton se resume así:
e
En la antigua Grecia, los principales sabios de la época proponían teorías diversas para explicar cómo estaba constituida la materia. Entre esos sabios –o filósofos– destaca Demócrito de Abdera, quien plantea por primera vez la existencia de los átomos.
58 UNIDAD 3
➚ Las plantas, el suelo, el aire, los seres vivos estamos formados por materia.
b ¿Qué diferencia hay entre un filósofo y un científico?
Hacia el año 1800, la experimentación aplicada a la Química había dado como resultado el descubrimiento de varias leyes relacionadas con la combinación de los elementos químicos para dar compuestos.
1
a ¿Qué significa literalmente la palabra «átomo»?
Sin embargo, no existía ninguna hipótesis ni modelo que explicase dichas leyes. Fue el químico y profesor inglés John Dalton quien rescató el concepto de átomo para explicar las leyes recién descubiertas, pro poniendo un conjunto de hipótesis conocido como teoría atómica
➜ Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos
➜ Los átomos de los elementos se combinan para formar compuestos en proporciones dadas por números enteros sencillos.
H Cl
La teoría atómica de Dalton
Si echamos un vistazo a nuestro alrededor, nos damos cuenta de que estamos rodeados de materia, que se presenta de muy diversas for mas y en distintos estados de agregación. Pero ¿de qué está formada esta materia? La idea del átomo tiene 2500 años de antigüedad. ¿Es posible que siga vigente?
¿Cómo surge la idea del átomo?
➜ Los átomos de un mismo elemento son idénticos en su masa y propiedades; los átomos de elementos diferentes poseen distinta masa y propiedades diferentes.
1:1 e
La propuesta de Demócrito de que la materia estaba formada por átomos era una idea sin contrastar, una doctrina filosófica entre otras. Sin embargo, varios siglos después, la aplica ción del método científico al estudio del com portamiento de los gases y de los cambios quí micos de la materia hicieron posible profundizar en esta idea.
El descubrimiento del electrón
b) Calcula cuántos electrones aproximadamente serían ne cesarios para obtener la carga total de 15 C.
Cuando propuso su teoría atómica, Dalton postuló que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, a finales del siglo xix, se comprobó que no lo son, ya que están formados por otras partículas más pequeñas.
2. La carga del electrón es muy pequeña.
c) ¿Es posible la combinación de dos átomos de un elemento con un solo átomo de otro elemento?
d) ¿Puede combinarse medio átomo de un elemento con un átomo de otro elemento?
3. El atomismo de Demócrito no es una teoría científica, como sí lo es –aunque hoy día sabemos que no es correcta–la teoría atómica de Dalton. Explica cuál es la diferencia entre una doctrina filosófica y una auténtica teoría científica.
1. Responde a las siguientes cuestiones basándote en la teo ría atómica de Dalton:
Un tubo de rayos catódicos es un recipiente de vidrio que contiene dos placas metálicas, entre las cuales se aplica un gran voltaje (10 000 voltios), y en cuyo interior se ha hecho el vacío.
Los estudios del físico inglés Joseph John Thomson, publicados en 1897, determinaron que se trataba de partículas con carga negativa –ya que se desviaban hacia una placa positiva– y concluyeron con el cálculo del cociente entre su masa y su carga.
b) ¿Cambiarán su naturaleza los átomos de un elemento al sufrir un proceso físico o químico?
En estas condiciones, la placa con carga negativa (cátodo) emite un haz invisible de partículas negativas hacia la otra placa, con carga positiva (ánodo). Este haz se detecta cuando incide sobre la pared opuesta del tubo, donde produce luminosidad a consecuencia del impacto de las partículas.
¿Qué son las partículas subatómicas?
a) ¿Pueden dos elementos distintos estar formados por áto mos iguales?
59La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
El estudio de las partículas subatómicas –más pequeñas que el átomo– se inicia en 1875, cuando el inglés William Crookes perfeccionó un aparato que se conoce como tubo de rayos catódicos.
a) ¿Qué submúltiplo del culombio sería el más adecuado para expresarla?
Las partículas recibieron el nombre de electrones, nombre sugerido por el físico irlandés George Stoney. Posteriormente, en 1911, el físico estadounidense Robert Millikan consiguió calcular la carga de un electrón, que resultó ser del orden de 10–19 culombios. Por tanto, para caracterizar el electrón, la primera de las partícu las subatómicas, fue necesaria la contribución de varios científicos a lo largo de casi cuatro décadas.
Cátodo Ánodo
➚ Experimento con el tubo de rayos catódicos.
Partículas negativas
Más descubrimientos: el protón y el neutrón
➚ Experimento de Chadwick.
➜ Los electrones, que se simbolizan como e , son partículas de masa muy pequeña en comparación con la de un protón o un neu trón, que tienen carga negativa.
5. La evolución sobre el conocimiento del átomo es uno de los ejemplos más notables de la aplicación del método científico.
La confirmación de que existía una partícula positiva con la misma carga que el electrón y 1 837 veces su masa se produjo en 1919, por parte del físico neozelan dés Ernest Rutherford, quien la llamó protón.
60 UNIDAD 3
Ten en cuenta los principales hitos y sus fechas. Completa la información necesaria consultando libros o Internet. Reserva un espacio para incluir más hitos que estudiarás en los próximos apartados.
En 1886, el físico alemán Eugen Goldstein realizó algunos experimentos con un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Observó unos rayos que atravesaban el cátodo en sentido contrario a los rayos catódicos. Recibieron el nombre de rayos positivos o rayos canales y pronto se supo que estaban formados por partículas cargadas positivamente.
Construye una línea del tiempo, a partir de la idea atomista de Demócrito, hasta alcanzar el concepto moderno del átomo. Para ello:
Además del electrón y el protón, existe en el átomo una tercera partícula, el neutrón, que no posee carga eléctrica, de ahí su nombre. Su descubrimiento se produjo finalmente en 1932, cuando el físico inglés James Chadwick observó que una muestra de berilio bombardeada con partículas alfa emitía un haz de partículas que no se desviaban hacia ninguno de los polos positivo o negativo de unas placas cargadas eléctricamente.
Por tanto, en el transcurso de un siglo, el átomo dejó definitivamente de ser indivisible, como había postulado Dalton. Las evidencias experimen tales mostraron que estaba compuesto por tres tipos de partículas:
4. Con ayuda de la bibliografía científica o de Internet, busca los datos de carga y masa de las tres partículas subatómicas que has estudiado en este apartado. Elabora una tabla ade cuada para mostrar los citados datos.
➜ Los protones, que simbolizamos como p+, son partículas cuya masa es aproximadamente 1 840 veces mayor que la de un electrón. Poseen carga eléctrica positiva, del mismo valor que la de un elec trón.
El descubrimiento del electrón marcó el comienzo de una carrera cien tífica hacia la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, que conti nuó con el descubrimiento del protón y el neutrón.
e
Electrones (e ) Protones (p+) Neutrones (n) O CO2
➜ Los neutrones, simbolizados por n, son partículas cuya masa es muy similar a la de un protón, pero que no tienen carga eléctrica, es decir, son neutros.
e
➜ Para Thomson, el átomo era una esfera compacta, maciza, de carga positiva, en la cual se encuentran incrustados los electrones, de carga negativa.
El experimento de Rutherford
e
Hacia un modelo para el átomo
La mayoría atravesaban la lámina, y algunas se desviaban de su trayectoria. Fuente alfapartículasde
Seguro que en ocasiones has visto dibujos o logotipos, como el de la ilustración, que representan átomos, ya que son bastante frecuentes.
➚ El átomo, según Thomson. Electrones
Lámina de oro deDetectorpartículas
a ¿Qué te sugiere un dibujo como este?
61
b ¿Qué importancia crees que puede tener conocer cómo es el átomo?
PartículasÁtomosalfade oro
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
➜ El átomo es neutro al compensarse mutuamente las cargas de signo contrario.
Rutherford supuso acertadamente que las pocas partículas que resultaban desviadas e, incluso en algunos casos, salían rebotadas, eran repelidas por una carga de signo positivo, el mismo que poseen las partículas alfa. Por tanto, llegó a la conclusión de que la carga positiva del átomo debía concentrarse en una zona central, permitiendo que los rayos de partículas alfa atravesasen los átomos la mayoría de las veces sin alterar su trayectoria, tal y como se representa en el esquema.
En 1911, Ernest Rutherford realizó un experimento crucial para comprender la estructura interna del átomo.
2
El primer modelo para el átomo fue propuesto por Joseph John Thom son, justo después de que él mismo participara en el descubrimiento del electrón. Era muy sencillo y tuvo poca vigencia. El modelo de Thomson
Bombardeó una del gadísima lámina de oro con partículas alfa, producidas al desintegrarse algunos elementos radiactivos.
El descubrimiento de las partículas subatómicas condujo inmediatamente a la necesidad de proponer modelos que explicasen cómo se encuentran distribuidas dichas partículas en el interior del átomo.
a) ¿Qué diferencias importantes hay entre cada modelo y el que le siguió en el tiempo?
b) ¿Por qué los modelos de Thomson y Rutherford dejaron de ser válidos en su momento?
a) ¿Qué significa que el átomo está casi vacío?
c) ¿Por qué los átomos son eléctricamente neutros?
➜ Como ambas partes, núcleo y corteza, compensan mutuamente sus cargas positiva y negativa, el conjunto es neutro.
6. Contesta razonadamente:
El modelo de Bohr introduce un concepto importantísimo: la existencia de capas o niveles de energía en la corteza, en las cuales se distribuyen los electrones, que se encuentran descri biendo órbitas circulares alrededor del núcleo.
ElectronesNúcleo
Después de realizar su experimento, Rutherford concluyó que el átomo estaba casi vacío y propuso un nuevo modelo.
b) En el átomo de Bohr, ¿puede un electrón situarse en capas diferentes?
El modelo de Bohr
➜ Los electrones pueden pasar de unas capas a otras absorbiendo o emitiendo cantidades exactas de energía.➚ El átomo, según Bohr.
62 UNIDAD 3
El modelo de Rutherford no era válido; según las leyes de la Física, los electrones, al girar, debían perder energía y caer finalmente sobre el núcleo. En 1913, el físico danés Niels Bohr, colaborador de Rutherford, propuso un nuevo modelo, que no obstante mantenía la existencia de un núcleo positivo y una corteza negativa.
Las capas del átomo
Estas capas se identifican con letras mayúsculas, comenzando por la letra K para la capa más próxima al núcleo (n = 1). En cada nivel puede haber, como máximo, un número de electrones dado por 2n2, siendo n el número correspondiente al nivel empe zando a contar desde el núcleo.
El modelo de Rutherford
➚ El átomo, según Rutherford.
➜ El átomo de Rutherford tiene una parte central muy pequeña y positiva, llamada núcleo, en la que se concentra prácticamente toda su masa, alrededor del cual giran a gran velocidad los electrones con carga negativa, constituyendo la corteza del átomo.
7. Acabamos de estudiar los modelos de Thomson, de Ru therford y de Bohr para el átomo.
➜ En el átomo de Bohr existen un núcleo positivo y una corteza negativa, formada por los electrones. Estos se sitúan en ciertas órbitas permitidas (capas), en las cuales mantienen su estabilidad, sin perder energía.
9. Desde que se descubrieron las tres partículas básicas que forman parte del átomo, los avances tecnológicos han dado
diendo nuevos descubrimientos muy importantes, comenzando por la existencia de los protones y neu trones, que estos primeros modelos no contemplan.
El modelo actual del átomo es, por lo tanto, bastante más complejo; sin embargo, de forma muy simplifi cada, sus características más relevantes se pueden esquematizar de la siguiente manera:
e
El átomo consta de un núcleo que concen tra casi toda la masa del átomo. En el núcleo se localizan los protones y los neutrones, unidos mediante fuerzas de atracción –llamadas fuerzas nucleares–, que impiden la repulsión entre ellos.
Los electrones se disponen en ca pas concéntricas, a distintas dis tancias del núcleo. Esas capas tie nen mayor energía cuanto más lejos del núcleo se encuentran y se van ocupando por orden de proxi midad a él. Los electrones pueden pasar de unas a otras emitiendo o absorbiendo energía.
63
¿Qué sabemos del átomo en la actualidad?
A un nivel elemental, nuestra visión actual del átomo mantiene los aspectos básicos que ya propuso Bohr en su modelo. Desde esa época se han ido suce
Formad grupos de trabajo. Cada grupo realizará una investiga ción sobre un tipo de partícula y elaborará una ficha siguien do las indicaciones de vuestro profesor o profesora. Las fichas pueden utilizarse para componer un mural.
El descubrimiento de las partículas subatómicas dio lugar al nacimiento de la Física atómica o nuclear. En la actualidad, las investigaciones en este campo se desarrollan en los aceleradores de partículas, entre los cuales destaca el que se ubica en el CERN.
e
CERN
En la corteza se hallan los electrones, en un número igual al de protones, girando en torno al núcleo a velocidades próximas a la de la luz, atraídos por fuerzas eléctricas debido a su carga negativa.
lugar al descubrimiento de otras partículas subatómicas: boso nes, quarks, positrones, neutrinos, etc.
3
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
e
La investigación sobre el átomo, su estructura y las partículas que lo forman ha continuado a lo largo de los siglos xx y xxi, siendo hoy día uno de los campos más activos de la Física.
8. ¿Qué es un acelerador de partículas? Busca la información necesaria y redacta un breve párrafo explicando para qué sirve un dispositivo de estas características, qué dimensiones tiene y cuáles son sus partes principales.
¿Sabes qué es y dónde se encuentra este complejo científico de primer nivel?
➜ El valor del número másico coincide con la masa del átomo expresada en unidades de masa atómica (u).
a) Si conocemos el número atómico de un átomo, pero no su número másico, ¿qué infor mación nos proporciona?
OBSERVA Y APRENDE
La identidad de un átomo y sus propiedades vienen dadas por el número de partículas subatómicas que lo forman.
➜ El número atómico (Z) es el número de proto nes que tiene un átomo en su núcleo.
Este átomo de argón (Ar) tiene 18 protones y 22 neutrones en el núcleo, y 18 electrones en la corteza. El conjunto es neutro.
A partir de los datos de número atómico y número másico de un átomo es sencillo determinar cuántos protones y neutrones posee en el núcleo y a qué elemento químico pertenece este átomo, consultando para ello la tabla periódica. Además, ya que se trata de un átomo neutro, también sabremos cuántos electrones forman su corteza.
➜ Como el átomo es neutro, el número atómico también nos indica el número de electrones que posee el átomo.
Número atómico: Z = 18 →
64 UNIDAD 3
Número másico: A = 40 →
La suma de protones y neutrones es 40. Por tanto, el número de neutrones es: A – Z = 40 – 18 = 22 neutrones. Tiene 22 neutrones en el núcleo.
b) Realiza un dibujo esquemático del átomo.
Ar
b) ¿Cómo se define la unidad de masa atómica (u)? Consulta el código QR que aparece junto al recuadro y explícalo en un breve párrafo.
Caracterización del átomo: número atómico y número másico
Tiene 18 protones en el núcleo. Se trata de un átomo de argón.
Cuando un átomo es neutro, tiene el mismo número de elec trones que de protones. Por tanto, tiene 18 electrones en la corteza.
c) ¿Podrías decir de qué elemento se trata? Consulta la tabla periódica.
Asociando el número atómico al número de protones y el número másico a la suma de protones y neutrones, escribimos:
➜ El número másico (A) es el número total de partículas que hay en el núcleo del átomo, igual, por tanto, a la suma de protones y neutrones que tiene el átomo.
Para designar un elemento químico, el número atómico se coloca como su bíndice a la izquierda del símbolo, y el número másico también a la izquierda, pero como superíndice.
Número atómico (Z) (protones)
a) ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene?
Además del número atómico, se define para cada átomo otro número importante, directamente rela cionado con el núcleo atómico.
Indicando Z y A
10. Contesta a estas cuestiones:
➜ Todos los átomos del mismo elemento quí mico tienen el mismo número atómico.
Número másico (A) (protones + neutrones)4018
Un átomo tiene número atómico Z = 18 y de número másico A = 40. Consi derando que es neutro, ¿qué información tienes sobre él?
Es neutro →
11. El número atómico de un átomo es 21 y su número másico es 45. Considerando que se trata de un átomo neutro:
17 p+ y 17 e Capa K: 2 e Capa L: 8 e Capa M: 7 e
Según la concepción actual del átomo, los electrones de la cor teza se encuentran distribuidos en capas o niveles, que se identi fican con las letras mayúsculas sucesivas K, L, M, etc., pudiendo existir, en el caso de los átomos más grandes, hasta siete capas Estaselectrónicas.capas
La configuración electrónica del sodio es K = 2 e , L = 8 e , M = 1 e ; mien tras que la del cloro es K = 2 e , L = 8 e , M = 7 e .
12. Siguiendo el procedimiento des crito, que puedes ver desarrollado en el ejemplo del sodio, escribe la configuración electrónica de los si guientes átomos:
c) Flúor, F (Z = 9).
La configuración electrónica de un átomo es la distribución de sus electrones en las diferentes capas que forman su corteza.
o niveles se identifican con un número (n), que es mayor a medida que nos alejamos del núcleo; también es mayor la energía necesaria para que el electrón permanezca en un nivel dado cuanto más lejos del núcleo se encuentre. Esto se debe a que los protones (de carga positiva) atraen eléctricamente a los electrones (de carga negativa) y tienden a acercarlos.
Sin embargo, el número de electrones que puede albergar cada nivel está limitado. Dicho número viene dado por 2n2, donde n es el número que corresponde a la capa.
¿Cómo se distribuyen los electrones en la corteza?
Para escribir la configuración electrónica, partimos del número atómico, que coincide con el número total de electrones. Estos se colocan llenando las capas de manera sucesiva, comenzando por las más próximas al núcleo, teniendo en cuenta el número máximo de electrones que pueden situarse en cada nivel.
Escribe la configuración electrónica de un átomo de sodio (Na), cuyo número atómico es Z = 11, y de un átomo de cloro (Cl), de número atómico Z = 17.
65
➚ Cada nivel electrónico puede albergar un número máximo de electrones.
En cada caso, el número atómico indica el número de protones del átomo y, si es neutro, su número de electrones. Por tanto, el átomo de sodio tiene 11 elec trones en la corteza y el de cloro tiene 17 electrones.
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
11 p+ y 11 e Capa K: 2 e Capa L: 8 e Capa M: 1 e
a) Litio, Li (Z = 3).
d) Aluminio, Al (Z = 13).
Cloro (Cl), número atómico Z = 17 →
b) Carbono, C (Z = 6).
Nivel M = 18 e
En consecuencia, los electrones de la corteza tienden a situarse espontáneamente en los niveles más próximos al núcleo, de manera ordenada, hasta completarlos. De este modo, se distribu yen de una forma determinada, característica de cada átomo.
e) Azufre, S ( Z = 16)
Nivel L = 8 e
Nivel K = 2 e
OBSERVA Y APRENDE
Sodio (Na), número atómico Z = 11 →
La regla del octeto
66 UNIDAD 3
Un átomo de cloro (Cl) tiene siete electrones en su capa más externa.
Su tendencia es tomar un electrón en su última capa, lo que le convierte en un anión cloruro, con una carga negativa, Cl .
11 p+ 10 e 17 p+ 18 e
a) Be (Z = 4) cuando pierde 2 elec trones.
Este átomo tiene tenden cia a ceder ese electrón más externo, convirtién dose en un catión sodio, con una carga positiva: Na+.
13. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian un catión y un anión? Explícalo.
S2–
Se ha comprobado que los átomos tienden a ganar estabilidad cuando consiguen una configuración electrónica en la que el último nivel ocupado está completo, o bien posee un total de 8 electrones. Por tanto, hay átomos que ganan o pierden algunos electrones para cumplir con esa condición, dando lugar a iones. Observa:
14. Razona en qué tipo de ion se convierten estos átomos neutros en cada caso. Haz un dibujo.
La carga se representa con un superíndice. En este caso, indica que el átomo de azufre ha ganado dos electrones, y se ha convertido en un anión. En un ion el número de elec trones y el de protones no es el mismo. Esta descom pensación es la que da lugar a la carga del ion.
El hecho observable de que la materia es eléctricamente neutra llevó a los científicos a postular que el átomo debe ser también neutro. Esto implica que el número de electrones que posee un átomo en su corteza coincide con el número de protones que tiene en el núcleo, según hemos estudiado. De este modo, las cargas positiva y negativa quedan com Nopensadas.obstante, hay ocasiones en las que un átomo puede ganar o perder electrones, produciéndose así un exceso o defecto de carga negativa.
➜ Si la carga neta es positiva, recibe el nombre de catión.
11 p+ 11 e Na+ 17 p+ 17 e Cl
Un ion es un átomo o agrupación de átomos que posee carga eléc trica neta distinta de cero.
b) Al (Z = 13) cuando se queda con 10 electrones.
Un átomo de sodio (Na) po see un único electrón en su capa más externa.
Átomos con carga: iones
➜ Si dicha carga neta es negativa, se trata de un anión.
c) O (Z = 8) cuando adquiere 2 elec trones más.
Isótopos del litio
Deuterio 21H (0,02 %) Tritio 31H (inestable)
La abundancia de los isótopos del litio es 7,42 % para el 63Li y 92,58 % para el 73Li. ¿Cuál es la masa atómica que corresponde a este elemento?
4
Según la teoría atómica de Dalton, los átomos de un mismo elemento son iguales en masa. Sin embargo, a comienzos del siglo xx se descu brió que existen átomos con el mismo número atómico y distinto número másico, lo que significa que sus masas son diferentes.
Masa atómica Abundancia 63Li 6 u 7,42 % 37Li 7u 92,58 %
Isótopos y radiactividad
Los isótopos se designan con el nom bre del elemento y su número másico, separados con un guion. Para el litio, se conocen dos isótopos:
Litio-6
➚ Isótopos del hidrógeno.
La masa atómica del elemento litio es igual a 6,93 u.
Multiplicamos la masa de cada isótopo por su abundancia dividida por 100. Sumamos ambos resultados y obtenemos la masa atómica del litio.
➜ Se trata de átomos con el mismo número atómico (número de protones) y diferente número másico.
➜ En consecuencia, se distinguen por el número de neutrones que tienen en sus núcleos.
OBSERVA Y APRENDE
Para los elementos que poseen isótopos estables, se debe utilizar como valor de su masa atómica la media ponderada de las masas de dichos isótopos. Este valor de masa atómica promedio es, por tanto, el resul tado de un cálculo. Fíjate en este ejemplo:
LiLi
Masa atómica Li = 6 u x 7,42100 + 7 u x 92,58100 = 6,93 u
Los isótopos son átomos de un mismo elemento químico que tie nen distinta masa.
15. Calcula la masa atómica del elemento cloro (Cl), a partir de los siguientes datos de abundancia de cada uno de sus isótopos: 3717Cl (cloro-37): 24,23 %. 3517Cl (cloro-35): 75,77 %.
Resumimos en una tabla los datos de cada isótopo:
Es bastante habitual que los elementos presenten varios isótopos, si bien en un número limitado. La abundancia de cada uno de ellos es constante y se expresa en porcentaje. Observa el caso del hidrógeno: 11H (99,98
67La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
++ + ++ + + + ++ ++ + ++ ++ + + + ++ + + + + + 23592U ++ + ++ + + ++ + ++ + ++ + ++ ++ + + + ++ + + + + 20782Pb ++ + ++ + + ++ + ++ + ++ + ++ ++ + + + ++ + + + + + Partículas β Radiación γ ++ + ++ + + ++ + ++ + ++ + ++ ++ + + + ++ + + + + + Partículas α
e
17. Utiliza libros, revistas o Internet para obtener información sobre el centro de almacenamiento de residuos sólidos de El Cabril. Elabora una breve ficha con datos sobre su ubicación, características y el uso que tiene actualmente, para exponerlo ante tus compañeros. Desintegración
En ocasiones, el núcleo de un átomo, por tener un excesivo número de neutrones respecto al de protones o por el elevado número de partículas que lo forman, tiene tendencia a romperse o desintegrarse.
Otras veces, en la ruptura se emi ten haces de electrones (partícu las beta) o radiaciones muy energéticas (rayos gamma).
Nacida en Polonia como Maria diactividad,cionesllóEmigróSklodowska.aParísparacompletarsuformación.AllítrabajóconPierreCurie,conquiensecasó,ydesarrosusinvestigasobrelaraporlascuales
➚
➜ La utilización para el diagnóstico en medicina, empleando isótopos radiactivos unidos a fármacos para explorar órganos o tejidos.
La radiactividad, además de ser un fenómeno importante desde el punto de vista puramente científico, posee aplicaciones de gran inte rés, como son:
Al final del proceso de desintegración se ob tiene otro elemento diferente del que había inicialmente, pues cambia el número de pro tones de su núcleo. La velocidad de la desin tegración es muy variable, según el elemen to de que se trate. El proceso solo se detiene cuando se produce un isótopo estable.
radioactiva.
➜ El uso terapéutico en tratamientos contra el cáncer y otras enferme dades, a través de la quimioterapia y la radioterapia.
➜ La producción de electricidad en las centrales nucleares, gracias a la gran cantidad de energía que se libera en estos procesos.
Marie Curie
En las primeras décadas del siglo xx, los químicos franceses Pierre y Marie Curie aislaron y estudiaron nuevos elementos radiactivos, como el radio y el polonio. En las décadas siguientes y hasta la actualidad, ha sido posible descubrir, aislar o producir de forma artificial isótopos radiactivos de numerosos elementos, como el carbono, el nitrógeno, el aluminio y el fósforo, entre otros.
Científica francesa (1867-1934).
¿En qué consiste la radiactividad?
se convirtió en la única persona en recibir los premios Nobel de Física y de Química.
68 UNIDAD 3
Algunos isótopos de ciertos elementos químicos son inestables; esto significa que sufren una serie de transformaciones espontáneas durante las cuales emiten partículas y energía, dando lugar a otros ele mentos más ligeros. Este fenómeno es la radiactividad, descubierta en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel de forma casual en un mineral de uranio.
En la ruptura, a veces se produce la emisión de partículas alfa –for madas por dos protones y dos neu trones– a gran velocidad.
16. El descubrimiento de la radiactividad tuvo lugar de forma totalmente casual. Investiga en libros o en Internet sobre las circunstancias en que se produjo este gran descubrimiento e identifica las distintas fases del método científico en este caso.
e
¿Cómo se agrupan los átomos?
Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+ Na+ Cl Na+ Cl Na+ Cl Na+
➚ Grafeno. Sustancia formada por átomos de carbono.
Como ya vimos, hay átomos que tienen tendencia a for mar iones con facilidad, bien sea por la pérdida o la ganancia de uno o varios electrones, para convertirse así en cationes o aniones, respectivamente.
En el cloruro de sodio (NaCl) se unen cationes de sodio (Na+) con aniones de cloruro (Cl ).
Los átomos de los elementos químicos se presentan muy raras veces en la naturaleza de forma aislada. Por el contra rio, lo habitual es que formen combinaciones o agrupacio nes que pueden contener desde dos hasta miles de átomos, para dar lugar a los millones de sustancias que conocemos. De esta manera consiguen una mayor estabilidad.
El enlace iónico
Los enlaces que se forman entre los átomos dependen de la naturaleza de dichos átomos y determinan las propie dades de las sustancias a que dan lugar. Estos enlaces pueden ser de tres tipos: iónicos, covalentes y metálicos.
Los átomos se agrupan formando combinaciones más estables que estos por separado. Las uniones entre los átomos se denominan enlaces.
Sabemos que la materia está formada por átomos y, aunque existen distintos tipos de átomos para los diferentes químicos, no deja de ser asombroso los millones de sustancias diversas, tanto en aspecto como en propiedades, que observamos a nuestro alrededor.
¿Qué explicación podríamos dar a la existencia de tal diversidad de sustancias?
elementos
Cuando se encuentran próximos átomos de ambos tipos, ganan la máxima estabilidad cediendo unos los electro nes que toman los otros, formando de este modo iones de signo contrario. Estos iones se mantienen unidos mediante fuerzas eléctricas de atracción, dando lugar a lo que se conoce como un enlace iónico.
69
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
Se forma una red cristalina, en la que el conjunto es eléctricamente neutro y muy estable.
e
En este tipo de enlace, como las fuerzas eléctricas se ejercen en todas direcciones, los iones de signo contrario forman extensas redes tridimensionales, en las que cada catión se encuentra rodeado de aniones y cada anión, de cationes, de manera que compensan sus car gas. El resultado es una sustancia neutra y de gran esta bilidad, pues las fuerzas eléctricas de atracción son de gran intensidad.
5
Este tipo de sustancias se encuentran en los tres estados de agregación a temperatura ambiente.
Su solubilidad en agua es variable, si bien en la mayoría de los casos es baja, siendo mayor en otro tipo de disolventes, como la acetona.
➚ Enlace covalente. En las moléculas de agua (H2O) un átomo de oxígeno comparte un electrón con cada átomo de hidrógeno. En el oxígeno (O2) los átomos comparten dos electrones entre sí.
Son muy solubles en agua, liberándose con ello los iones de la red iónica.
Agua ➝ H2O Oxígeno ➝ O2
El tamaño de las moléculas es muy variable. Las hay de solo dos átomos o biatómicas, como el oxígeno gaseoso (O2) y el nitrógeno (N2), pero también existen moléculas «gigantes» o macromoléculas, formadas por miles de átomos. Estas pueden ser naturales, como el ADN o el almidón, o de origen sintético, como los plásticos.
En muchas ocasiones, los átomos implicados en un enlace no pueden formar un enlace iónico, ya que no es posible la formación de iones de signo contrario. Piensa, por ejemplo, en la unión de dos átomos iguales o que necesitan un solo electrón para completar el octeto. En este caso, pueden adquirir la estabilidad compartiendo electrones, dando lugar a la formación de uno o varios enlaces covalentes.
El enlace covalente
Tienen puntos de fusión y ebullición muy altos.
Cuando son sólidos, suelen ser blandos y con bajos puntos de fusión, pues las moléculas se unen unas con otras mediante fuerzas débiles, aunque hay notables excepciones.
19. El fluoruro de sodio es una sustancia formada por cationes Na+ y aniones F
a) Justifica qué tipo de enlace existirá entre sus partículas. b) De acuerdo con lo anterior, ¿en qué estado de agregación encontraremos el fluoruro de sodio a temperatura ambiente?
Aceite de motor.
20. El hidrógeno (H) y el cloro (Cl) son dos elementos que se unen formando moléculas biatómicas de cloruro de hidrógeno (HCl). Teniendo en cuenta que el hidrógeno posee un solo electrón, y un átomo de cloro tiene 17 electrones, representa un dibujo esquemático de cómo se unen el átomo de cloro y el átomo de hidrógeno mediante un enlace covalente.
Las propiedades características de estas sustancias se describen en la siguiente tabla.
70 UNIDAD 3
Sustancias covalentes
Cristales de sal.
¿Qué propiedades tienen las sustancias iónicas y covalentes?
Sustancias iónicas
El resultado es una agrupación neutra, con entidad propia, que constituye una partícula independiente; recibe el nombre de molécula.
Son sólidos cristalinos, con una forma geométrica definida.
Son frágiles. Se rompen con facilidad, pues cualquier deformación de la red de iones hace que se descompensen las fuerzas eléctricas que la mantienen unida.
18. Explica por qué se forman los enlaces entre los átomos. ¿Qué tipos de enlaces hay?
Por lo general, se oxidan por acción del oxígeno atmosférico.
Los cristales
En Química, un cristal es un sólido que posee de manera natural una forma geométrica, conse cuencia de la ordenación interna de las partículas que lo constituyen.
21. Teniendo en cuenta las caracterís ticas de los tres tipos de enlaces, argu menta por qué podríamos afirmar que el enlace metálico posee características intermedias entre el iónico y el covalente.
Desde el punto de vista geométrico, en la natura leza solo existen siete tipos de cristales, y la cien cia que los estudia se llama Cristalografía.
Se deforman sin romperse y forman hilos (dúctiles) o láminas (maleables) fácilmente.
El tercer tipo de enlace es el metálico, así denominado por ser propio de los meta les. En este enlace se forma una red tridimensional de iones, aunque en este caso se trata de cationes, y los electrones procedentes de la formación de esos cationes son compartidos por todos los átomos de la red (nube electrónica), evitándose de este modo la repulsión entre iones del mismo signo.
Los cristales, que pueden ser iónicos, covalentes o metálicos, según el tipo de enlace que une sus átomos, comparten algunas propiedades comu nes, aunque difieren en otras muchas.
El enlace metálico
Un metal está formado por una red de cationes (en este caso, Ag+), rodeados por los electrones desprendidos de los átomos para formar los
71
Son buenos conductores de la corriente eléctrica y del calor, a causa de la movilidad de los electrones compartidos.
Propiedades de los metales
Cristal de pirita.
e
Cacerola de acero inoxidable.
Loscationes.electrones
Las cargas positivas de los cationes y las negativas de los electrones están com pensadas, y el metal, en su conjunto, es neutro.
Son, en su mayoría, sólidos cristalinos con altos puntos de fusión, como consecuencia de la gran estabilidad de la red microscópica; sin embargo, existen metales líquidos a temperatura ambiente.
Los metales son sustancias de gran importancia tecnológica. Esta importante cualidad se la deben a sus propiedades, derivadas de las características del enlace metálico.
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
que se mue ven libremente impiden la repulsión entre los cationes, y estabilizan la red.
Dependiendo del tipo de átomos que contienen, las moléculas también pueden establecer uniones o enlaces entre ellas, ya que se generan fuerzas intermoleculares que las mantienen próxi mas. Estas son, en general, bastante débiles, aunque hay sustan cias en las cuales poseen cierta intensidad.
moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno que se han unido a un átomo de oxígeno mediante enlaces covalentes.
22. El agua es, como sabes, la base de la vida en la Tierra. Y esto se debe, en gran medida, al am plio intervalo de temperaturas en las que se encuentra en estado líquido: desde los 0 ºC hasta los 100 ºC. Redacta un breve texto relacionando este hecho con la existencia de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua.
De acuerdo con esto, en un recipiente que con tiene una cierta cantidad de agua, desde un punto de vista microscópico, encontraremos que hay un gran número de moléculas de agua.
PROFUNDIZA 72 UNIDAD 3
¿Qué nos dice la teoría cinético-molecular?
En el agua, entre las moléculas se establecen enlaces por puentes de hidrógeno que actúan como fuerzas de cohesión, razón por la cual el agua se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente.
Sabemos que los átomos de los elementos quí micos se unen para formar compuestos, y que, en el caso de que lo hagan mediante un enlace covalente, forman moléculas independientes, con un número limitado de átomos.
e
Es el caso de los llamados puentes de hidrógeno. La condición para que se establezca este tipo de enlaces entre las moléculas es que contengan átomos de hidrógeno unidos a un átomo con ten dencia a tomar electrones, como son el nitrógeno, el oxígeno o el flúor.
Es lo que ocurre, por ejemplo, en el caso del agua (H2O), una sustancia muy común cuyas
Fuerzas intermoleculares
Estos puentes de hidrógeno son enlaces bastan te más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos. De ahí que en el agua líquida las moléculas puedan deslizarse unas sobre otras.
De acuerdo con esta teoría, en un líquido, las partículas que lo forman se encuentran en contacto, ya que existen fuerzas de atracción entre ellas. Sin embargo, la existencia de estas fuerzas no impide que las partículas se puedan mover, deslizándose unas sobre otras sin perder el contacto. Esta es la razón de que los líquidos, como el agua, puedan fluir, pero al igual que ocurre con un sólido, no pueden comprimirse.
H2O
Comenzamos estudiando la DEATÓMICATEORÍADALTON y las partículas del átomo ELECTRONESPROTONESNEUTRONES
Lo más habitual es que los átomos en la naturaleza se unan para formar compuestos quími cos, dando lugar a distintos tipos de agrupaciones (moléculas o cristales). Las uniones que se establecen entre los átomos reciben el nombre de enlaces, que pueden ser iónicos, cova lentes o metálicos.
Aprendimos qué son los ISÓTOPOS y valoramos la importancia de la RADIACTIVIDAD
ENLACES que pueden ser de tipo COVALENTEIÓNICOMETÁLICO dando lugar a SUSTANCIASMOLÉCULASIÓNICASMETALES
Finalmente estudiamos cómo los átomos se unen mediante
El descubrimiento de las partículas subatómicas dio lugar al desarrollo de distintos modelos atómicos, como el de Thomson, que postulaba un átomo macizo y compacto con los electro nes incrustados, o el de Rutherford, que distinguía entre un núcleo de carga positiva y una corteza formada por los electrones girando a su alrededor. Por último, Bohr supuso que los electrones se encontraban distribuidos en siete capas o niveles.
El concepto de átomo es antiguo, pero se introduce desde el punto de vista científico en el siglo xix, cuando Dalton publica su teoría atómica, según la cual la materia está formada por átomos indivisibles que se combinan unos con otros. No obstante, a principios del siglo xx se descubren las partículas constituyentes del átomo: electrones, protones y neutrones.
Analizamos los diferentes ATÓMICOSMODELOS como los de RUTHERFORDTHOMSONBOHR
Distinguimos entre el número atómico o número de protones, y el número másico, que es la suma de protones y neutrones. La distribución de los electrones en las distintas capas de la corteza da lugar a la configuración electrónica, y aquellos átomos que ganan o pierden elec trones forman cationes positivos o aniones negativos.
Averiguamos el significado de NÚMERO ATÓMICO (Z) NÚMERO MÁSICO (A) y de la CONFIGURACIÓNELECTRÓNICA además de la formación de CATIONESANIONES
73La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
Si los átomos de un elemento se identifican por su número atómico, aquellos átomos que tienen el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones son isótopos. Algu nos elementos tienen isótopos que son inestables, y sufren transformaciones espontáneas dando lugar al fenómeno de la radiactividad.
b) ¿De qué elemento se trata?
10 e 10 p+ 12 n 50 e 50 p+ 70 n
26. Contesta brevemente:
74 UNIDAD 3
25. El culombio es la unidad de carga del Sistema Internacio nal (SI), pero, cuando la carga es pequeña, se suele expresar en miliculombios o microculombios. Realiza las siguientes conversiones de carga:
31. Define los siguientes conceptos:
a) Redacta un párrafo resumiendo los postulados de dicha teoría.
b) De acuerdo con el método científico, ¿qué requisitos debe cumplir un modelo para ser considerado válido?
b) ¿Qué observó Rutherford al realizar el experimento?
b) Número másico.
c) ¿A qué elemento químico pertenece este átomo? Consúl talo en la tabla periódica.
29. Indica si las siguientes afirmaciones corresponden al modelo de Thomson, al de Rutherford, al de Bohr o a varios de ellos:
d) q4 = 6,8 · 104 mC. Exprésala en microculombios.
a) El electrón es una partícula de masa muy pequeña que tiene carga eléctrica positiva.
27. El experimento de Rutherford fue muy importante para el conocimiento del átomo.
a) Describe en qué consistió el experimento.
34. Dados los siguientes átomos, indica su número atómico y su número másico, e identifica de qué elemento se trata. Escribe el símbolo del elemento, colocando sobre él los nú meros atómico y másico.
c) ¿Cuál es la masa de este átomo, expresada en unidades de masa atómica (u)?
Investiga cuál es el diámetro del núcleo de un átomo.
b) Un protón es mucho mayor en masa que un neutrón, y aproximadamente igual que un electrón.
b) ¿Qué crees que supuso la publicación de esta teoría en el panorama de la incipiente ciencia que era la Química?
e) El átomo es eléctricamente neutro.
c) El núcleo es muy pequeño en comparación con el átomo.
a) ¿Por qué se necesita un modelo para el átomo?
c) ¿Qué hipótesis propuso para explicar lo observado?
b) q2 = 3,7 · 104 µC. Exprésala en culombios.
c) El neutrón tiene la misma carga que el electrón, pero de signo contrario.
b) Los electrones giran en ciertas órbitas permitidas.
30. Describe el modelo actual para el átomo. Considera, como aspectos importantes:
Elige un átomo de un elemento químico, por ejemplo, el carbono, el hierro, etc.
Las partes que tiene un átomo.
c) Configuración electrónica.
33. Un átomo tiene 35 protones y 45 neutrones en el núcleo. a) ¿Qué número atómico y qué número másico correspon den a este átomo?
d) Los electrones se encuentran incrustados.
b) Haz un dibujo esquemático de este átomo. Ten en cuenta la existencia de los niveles en la corteza.
28. Busca en libros o en Internet los datos necesarios para confirmar que el átomo, como supuso Rutherford, se en cuentra vacío en su mayor parte. Para ello:
a) q1 = 3 500 mC. Exprésala en culombios.
Busca el valor de su radio atómico y calcula cuál sería el diámetro del átomo.
c) q3 = 2,5 · 10–6 C. Exprésala en microculombios.
a) Considerando que se trata de un átomo neutro, indica cuántos protones, neutrones y electrones tiene.
a) Número atómico.
Las partículas que podemos encontrar en cada una de ellas.Laestructura de la corteza del átomo.
c) ¿Por qué fue necesario sustituir el modelo de Thomson?
Compara las dos cantidades. ¿Sería correcto afirmar que el núcleo es muy pequeño respecto al átomo? Justifícalo.
24. Busca y corrige el error en las siguientes afirmaciones:
23. La teoría atómica de Dalton fue la primera teoría científi ca sobre la naturaleza de la materia.
d) Los electrones y los protones se repelen porque tienen cargas de signo contrario.
a) El átomo es una esfera compacta.
La posibilidad de que los electrones pasen a niveles supe riores.
32. Un determinado átomo posee de número atómico 14 y de número másico 28.
36. Elabora, a partir de los datos que se indican, una tabla en la que aparezcan los números atómico y másico, y el número de protones, neutrones y electrones que poseen cada uno de los siguientes átomos neutros: 2311Na, 3115P, 5123V, 5626Fe, 10747Ag, 13856Ba, 20080Hg
e) Silicio, Si (Z = 14).
a) ¿Puede un átomo tener el número másico menor que el número atómico?
39. Contesta a las siguientes cuestiones:
c) K (Z = 19), cuando pierde un electrón.
c) Nitrógeno, N (Z = 7).
b) A partir de las configuraciones electrónicas del nitrógeno (Z = 7) y del hidrógeno (Z = 1), representa cómo es la molé cula de amoníaco con los enlaces que la forman.
d) Magnesio, Mg (Z = 12).
a) ¿Qué partícula se obtiene cuando un átomo neutro pierde electrones?
c) Si conocemos el número de protones y de electrones de un átomo, ¿cómo podemos saber si se trata de un ion o de un átomo neutro?
42. Las siguientes representaciones corresponden a átomos de elementos imaginarios (X), para los cuales se indican sus números atómico y másico.11550X,12250 X, 122115 X, 11570 X
b) ¿Cuáles tienen la misma masa?
b) ¿Por qué crees que las sustancias iónicas poseen altos puntos de fusión? Relaciónalo con la estructura microscópi ca de estas sustancias.
a) F (Z = 9), cuando gana un electrón.
37. La configuración electrónica de un átomo neutro es: capa K → 2 e ; capa L → 8 e ; capa M → 6 e .
50. Una de las propiedades más importante de los meta les, es su alta conductividad eléctrica. ¿Qué relación existe entre esta propiedad y la estructura microscópica y el tipo de enlace de los metales? Para responder a la pregunta, re cuerda en qué consiste la corriente eléctrica.
b) ¿Cuál será su número atómico?
b) ¿Por qué decimos que los isótopos son el mismo elemen to químico?
f) Argón, Ar (Z = 18).
49. Las sustancias iónicas y los metales son eléctricamente neutros. ¿Cómo es esto posible si están formados por iones, que poseen carga eléctrica? Justifícalo en ambos casos.
35. Responde a las siguientes cuestiones, justificando tus respuestas:
46. El enlace iónico es uno de los tres tipos de enlaces que se dan entre los átomos.
38. Considerando la capacidad de cada uno de los niveles que forman la corteza de los átomos, escribe la configura ción electrónica de estos átomos:
c) ¿Cuál es la diferencia entre el concepto de átomo y el de elemento químico?
a) ¿Qué tienen en común dos isótopos? ¿Qué les diferencia?
b) ¿Puede un átomo tener el número másico igual que el nú mero atómico?
45. Define los siguientes términos y escribe un ejemplo. a) Enlace. b) Cristal. c) Ion. d) Macromolécula.
a) ¿Cómo tiene lugar este tipo de enlace? Explícalo breve mente.
48. Contesta a estas cuestiones relativas al enlace metálico: a) ¿De qué está formada la red estructural de un metal? b) ¿Dónde se encuentran los electrones procedentes de los átomos del metal?
a) ¿Cuántos electrones posee en total?
43. Calcula la masa atómica que correspondería al elemento químico plata, a partir de los siguientes datos: Posee dos isótopos naturales: la plata-107 y la plata-109. Sus abundancias son de 48,16 % y de 51,84 %, respecti vamente.
b) Br (Z = 35), cuando queda con 36 electrones.
47. El amoníaco es un gas incoloro e irritante, formado por moléculas. Cada molécula de amoníaco está constituida por un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. a) ¿Qué tipo de enlace corresponderá, de acuerdo con los datos anteriores, a esta sustancia? Explícalo.
a) Helio, He (Z = 2).
b) ¿En qué se transforma un átomo neutro cuando gana electrones?
a) ¿Cuáles corresponden a isótopos? ¿Por qué?
44. ¿Qué es una desintegración radiactiva? Explica cuáles son los tres tipos de emisiones que tienen lugar durante un pro ceso de este tipo y qué partículas se producen en cada caso.
41. Recuerda qué son los isótopos y contesta brevemente a estas cuestiones:
b) Boro, B (Z = 5).
75La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
c) ¿Cuál posee mayor número de neutrones?
40. ¿En qué se convierten estos átomos? Explícalo y realiza un dibujo que lo ilustre.
c) ¿A qué elemento pertenece este átomo? Justifícalo.
54. La radiactividad posee importantísimas aplicaciones, pero también se ha utilizado con fines bélicos, genera peligrosos re siduos y ha protagonizado graves accidentes con consecuen cias mortales. ¿Te parece, pese a todo, que ha sido un descu brimiento científico valioso? Debátelo con tus compañeros de clase.
c) La sustancia C es un sólido brillante. Trabajad en grupos para proponer unos indicadores que se puedan utilizar como referencia para clasificar las sustancias. De acuerdo con vuestros indicadores, ¿qué tipo de sustancia es cada una de las anteriores?
b) La sustancia B es un líquido que tiene un punto de ebullición de 56 ºC.
57. El mercurio es una sustancia muy tóxica cuyo aspecto pue des ver en la fotografía.
c) Continúa con la búsqueda: ¿qué enfermedad provoca la ex posición continuada al mercurio? ¿Qué síntomas presenta la persona que la padece?
Utiliza la bibliografía o Internet para resolver estas cuestiones:
d) ¿Qué consecuencias tendría el vertido de mercurio al medio ambiente?
a) ¿Se trata de sustancias cristalinas?
55. El cloruro de potasio (KCl) es una sustancia iónica. Inves tiga en la bibliografía o en Internet algunas propiedades (pun to de fusión, solubilidad, aspecto, etc.) de esta sustancia que sean características del tipo de enlace que posee.
b) ¿Qué tipo de enlace poseen estas sustancias?
56. Lola está estudiando en el laboratorio tres sustancias des conocidas, para las cuales observa lo siguiente:
51. Redacta un párrafo para resumir la evolución que ha se guido el concepto de átomo desde Dalton hasta nuestros días. Básate en las características de los modelos que se han ido sucediendo.
d) Indica dos propiedades relevantes del grafito y otras dos del diamante que los diferencie y relaciónalas con las aplicaciones tecnológicas de estas sustancias.
e) La extracción de minerales valiosos –como es el caso del diamante– en países en vías de desarrollo desemboca, mu chas veces, en situaciones de explotación laboral e incluso en enfrentamientos armados. Debate con tus compañeros y com pañeras de clase sobre esta cuestión.
e 76 UNIDAD 3
52. Investiga en libros o en Internet qué es y para qué se utiliza el agua pesada. Elabora una ficha en la que indiques su com posición, la forma en que se obtiene y su principal aplicación.
53. El uranio es un elemento radiactivo presente en la naturale za. Utiliza libros o Internet para recopilar datos sobre este ele mento, siguiendo las indicaciones de tu profesor o profesora. Algunos de estos datos pueden ser cuándo se descubrió, dón de y quién lo hizo, cuántos isótopos tiene, para qué se usa, etc. Con la información recopilada, elabora una presentación que puedas exponer ante tus compañeros y compañeras.
a) La sustancia A, de aspecto cristalino, se disuelve en agua.
e) La mayor mina de mercurio del mundo se localiza en Alma dén (Ciudad Real). Recopila información sobre esta explota ción minera y elabora una ficha con algunos datos relevantes, siguiendo las indicaciones de tu profesor o profesora.
El carbono sólido se presenta en la naturaleza formando dos sustancias diferentes: grafito y diamante.
b) ¿Qué aplicaciones tiene el mercurio? Investígalas con ayu da de la bibliografía o en Internet.
c) ¿Cuál es la diferencia entre las dos sustancias, puesto que su composición es la misma?
a) ¿Qué tipo de sustancia dirías que es? Explícalo.
CRISTAL COVALENTE
Analiza los resultados
➜ Ten en la mesa solo lo necesario; actúa con orden y anota todos los resultados obtenidos.
➜ Sustancias problema: madera, aire, aluminio, cobre, cloruro de so dio, aceite, sulfato de cobre y cuarzo.
Redacta un informe científico, en el que debes explicar el objetivo de la experiencia, el procedimiento que has seguido y las conclusiones a las que has llegado para cada una de las sustancias estudiadas.
➜ Gradilla, tubos de ensayo.
■ ¿Tiene brillo metálico?
➜ Pila, bombilla, cables.
Sigue la secuencia establecida en el esquema, hasta llegar a la identificación del tipo de sustancia de que se trata; en la mayoría de los casos bastará una simple observa ción. Para comprobar la conducción de la corriente eléctrica, monta un circuito con la pila, la bombilla, los cables y la sustancia problema.
Elabora un informe
¿Cómo lo llevamos a cabo?
➜ Tipo de agrupación y enlace.
➜ Cuando finalices, deja el sitio re cogido, limpio y ordenado.
Vamos a estudiar diversas sustancias con la finalidad de clasificarlas, distinguiendo entre sustancias moleculares, metales, cristales iónicos o cristales covalentes. Para ello nos basaremos en la observación de algunas de sus propiedades macroscópicas.
■ ¿Posee aspecto cristalino?
➜ Presta atención a las indicacio nes de tu profesora o profesor.
SUSTANCIA MOLECULAR En estado gaseosoNo CRISTALSíIÓNICOSUSTANCIAMETÁLICA No ¿Se disuelve en agua? MOLECULARSUSTANCIASí ¿Conduce la corriente eléctrica? Sí¿Tienecristalino?aspectoNoSí Sí No ¿Tienemetálico?brillo¿Es un sólido o un líquido?
➜ Frasco lavador con agua.
Recuerda que estás en el laborato rio de Química:
➜ Estado de agregación.
■ ¿Se disuelve fácilmente en agua?
➜ Vaso de precipitados.
➜ Pon atención al trabajo y no te distraigas.
¿Qué pretendemos?
➜ Nombre de la sustancia problema.
¿Qué necesitamos?
Identificación de tipos de sustancias
Tenlo muy en cuenta
■ ¿Conduce la corriente eléctrica?
Completa una ficha para cada sustancia en la que reflejes tus observaciones. En ella deberá aparecer la siguiente información:
77La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
➜ Propiedades de la sustancia:
La datación de restos arqueológicos es una de las aplicaciones de la radiactividad. ¿Te parece una contribución importante en el contexto de la investigación histórica? Discútelo con tus compañeros y compañeras de clase.
Investiga en libros o en Internet cuál es la abundancia porcentual de los isótopos carbono-12 y carbono-13. Utiliza los datos para calcular la masa atómica que correspondería al elemento carbono. ¿Por qué crees que no lo consideramos para el cálculo del tercer isótopo?
La desintegración radiactiva de los átomos es, como sabes, un proceso bien estudiado. Para los principales isótopos radiactivos, se conoce cuál es su período de semidesintegración. ¿Qué significa este dato? ¿Cuánto vale en el caso del carbono-14? Busca la información en libros o en Internet.
Describe, según el modelo atómico de Bohr, cómo sería un átomo de carbono-12. Ten en cuenta los postulados de este modelo.
Finalmente, los análisis han concluido que la proporción de carbono-14 en las momias se ha reducido a la cuarta parte. Razona cuál sería la antigüedad de los restos.
El carbono presenta dos isótopos estables en la naturaleza: el carbono-12, ampliamente mayoritario, y el carbono-13. También posee un isótopo natural inestable, el carbono-14, en muy baja proporción. La abundancia de este isótopo es constante en los seres vivos, debido al continuo intercambio de sustancias, pero decae lentamente cuando los organismos mueren, lo que permite datar la antigüedad de los restos.
78 UNIDAD 3
De acuerdo con lo que has aprendido, ¿que tienen en común los tres isótopos del carbono? ¿Qué los diferencia? Explícalo utilizando los valores de sus respectivos números atómicos y másicos.
Un equipo de arqueólogos se encuentra realizando el estudio de un yaci miento donde se han hallado tres momias bien conservadas, cuya antigüe dad se sospecha que puede ser de varios miles de años. Para comprobar su hipótesis, han extraído muestras de tejidos y han solicitado que se les rea lice la prueba del carbono-14.
c El enlace metálico.
b Posee 16 neutrones en el núcleo.
8 ¿Qué tipo de enlace se produce cuando los átomos neu tros comparten electrones?
a El enlace iónico.
a El protón.
c Pertenecen al mismo elemento químico.
Llena un vaso con agua hasta la mitad y añade unas cucharadas de sal al agua. Remueve para favorecer que la sal se disuelva. Repite esta operación hasta que quede sal en el fondo del vaso que ya no puedas disolver. En ese momento, filtra el líquido con ayuda de un colador cubierto con papel de cocina y vierte el filtrado obtenido en un plato. Déjalo reposar en un lugar seco y ventilado durante unos días hasta que el agua se haya evaporado por completo.
c Ninguna de estas afirmaciones es correcta.
b Se atraen eléctricamente.
6 ¿Que afirmación no es correcta en relación con los isótopos?
¿Qué ocurre al cabo de ese tiempo? ¿Qué tipo de sustancia dirías que es el cloruro de sodio o sal común? ¿Por qué? Recopila la infor mación en un breve informe, describiendo la observación realizada, la hipótesis propuesta, el experimento o experimentos que se puedan diseñar para comprobar la validez de la hipótesis y las conclusiones obtenidas tras la experiencia.
c Es un átomo de paladio.
1 Según la teoría atómica de Dalton, se puede afirmar que el átomo era:
c El neutrón.
4 Para un átomo que tiene 48 electrones y número másico 112, podemos decir que:
b Su número másico es 64.
7 ¿Cuál es el motivo de que los átomos formen agrupacio nes de distintos tipos?
a Existen electrones libres.
La estructura de la materia. Agrupaciones de átomos
a Una partícula igual para todas las sustancias.
b El electrón.
e
a Su número atómico es 48.
b Tienen el mismo número másico.
a Este átomo no tiene número másico 16.
a Son átomos diferentes.
b El núcleo contiene neutrones y es más pesado.
INVESTIGA 79
a El átomo está prácticamente vacío.
5 Cierto átomo tiene la configuración electrónica K = 2, L = 8; M = 6. En consecuencia:
a Son sólidos cristalinos y frágiles.
b Son solubles en disolventes orgánicos.
10 El enlace iónico y el enlace metálico comparten una ca racterística. ¿Cuál es?
c Tienden a compartir pares de electrones.
c Se unen los cationes con los aniones.
Cloruro de sodio o sal común.
a Ganan estabilidad.
b Una partícula indivisible e indestructible.
2 ¿Que partícula subatómica es la más ligera y tiene una carga de –1,602 · 10–19 C?
c Un conjunto de partículas elementales.
b Se forma una red de iones muy estables.
c Los electrones se sitúan en capas concéntricas.
c Disueltas, son conductoras de la electricidad.
9 ¿Cuál de las siguientes propiedades no corresponde a las sustancias iónicas?
3 Bohr añadió en su modelo una hipótesis que se mantie ne en el modelo actual. ¿Cuál es?
b El enlace covalente.
80 elementoslosdeperiódicaTabla ebullición.depuntoelenlíquidodeldensidadlaacorrespondegases,losEn(1) conocido.másoabundantemásisótopoelindicanparéntesisLosaproximados.valoreslosSon(2)Azufre16 –2 4,6 S 32,13(kg/mDENSIDAD2070)(1) ELEMENTODELSÍMBOLO ATÓMICONÚMERO (Z) NÚMEROS OXIDACIÓNDE (2)ATÓMICAMASA ELEMENTODELNOMBRE Hidrógeno1 ±1 H 1,071 1 2 3 4 5 6 7 (K) (L) (M) (N) (O) (P) (Q) 6* *7* Litio 3 1 Li 6,9530 Sodio11 1 Na 23,0970 Potasio19 1 K 39,1860 Calcio20 2 Ca 40,11550 Escandio21 3 Sc 45,02992 Titanio22 3 4 Ti 47,94510 Vanadio23 2,3 4,5 V 50,96110 Cromo24 2,3 6 Cr 52,07190 Manganeso25 2,3 4,6 7 Mn 54,97430 Hierro26 2 3 Fe 55,87860 Rutenio44 2,3 4,6 8 Ru 101,112200 Tecnecio43 7 Tc (98)11500 Molibdeno42 2,3 4,5 6 Mo 95,910200 Niobio41 3 5 Nb 92,98580 Circonio40 4 Zr 91,26490 Itrio 39 3 Y 88,94470 Estroncio38 2 Sr 87,62600 Rubidio37 1 Rb 85,51530 Cesio55 1 Cs 132,91870 Francio87 1 Fr (223) Bario56 2 Ba 137,33500 Radio88 2 Ra (226)5000 Lantano57 3 La* 138,96174 Actinio89 3 Ac** (227) Hafnio72 4 Hf 178,513290 Rutherfordio104 4 Rf (261) Tántalo73 5 Ta 180,916600 Cerio58 3 4 Ce 140,16660 Torio90 4 Th 232,011660 Protactinio91 4 5 Pa 231,011660 Uranio92 3,4 5,6 U 238,019040 Neptunio93 3,4 5,6 Np (237)20450 Praseodimio59 3 4 Pr 140,96770 Neodimio60 3 Nd 144,37000 Prometio61 3 Pm (145) Dubnio105 Db (262) Wolframio74 2,3 4,5 6 W 183,919300 Seaborgio106 Sg (266) Renio75 2,4 6,7 Re 186,221000 Bohrio107 Bh (264) Osmio76 2,3 4,6 8 Os 190,222600 Hassio108 Hs (277) Magnesio12 2 Mg 24,31740Berilio 4 2 Be 9,01850 atm125°C,aGas Sólidos25°CaLíquido síntesisporObtenido PERÍODO CAPA EXTERIOR LANTÁNIDOSACTÍNIDOS Elementos s (elementosTRANSICIÓNDEMETALES d)864321181716151413121110957 Cobalto27 2 3 Co 58,98900 Níquel28 2 3 Ni 58,78900 Cobre29 1,2 Cu 63,58960 Cinc30 2 Zn 65,47140 Galio31 3 Ga 69,75910 Germanio32 2 4 Ge 72,65320 Arsénico33 ±3 5 As 74,95730 Selenio34 –2 4,6 Se 79,04790 Bromo35 ±1 5 Br 79,93120 Kriptón36 Kr 83,82600 Xenón54 Xe 131,33060 Yodo53 ±1 5 7 I 126,94940 Teluro52 –2 4,6 Te 127,66250 Antimonio51 ±3 5 Sb 121,86700 Estaño50 2 4 Sn 118,77300 Indio49 3 In 114,87310 Cadmio48 2 Cd 112,48640 Plata47 1 Ag 107,910500 Paladio46 2 4 Pd 106,412030 Rodio45 2,3 4 Rh 102,912420 Plutonio94 3,4 5,6 Pu (214)19840 Americio95 3,4 5,6 Am (243)11870 Curio96 3 Cm (247) Berkelio97 3 4 Bk (247) Californio98 3 Cf (251) Einstenio99 3 Es (252) Fermio100 3 Fm (257) Mendelevio101 2 3 Md (258) Nobelio102 2 3 No (259) Laurencio103 3 Lr (262) Samario62 2 3 Sm 150,47536 Europio63 2 3 Eu 152,05260 Gadolino64 3 Gd 157,37895 Terbio65 3 4 Tb 158,98272 Disprosio66 3 Dy 162,58536 Holmio67 3 Ho 164,98803 Erbio68 3 Er 167,39050 Tulio69 2 3 Tm 168,99332 Iterbio70 2 3 Yb 173,06977 Lutecio71 3 Lu 175,09842 Iridio77 2,3 4,6 Ir 192,222400 Meitnerio109 Mt (268) Platino78 2 4 Pt 195,121450 Darmstadtio110 Ds (271) Oro 79 1 3 Au 197,019300 Roentgenio111 Rg (272) Mercurio80 1 2 Hg 200,613590 Copernicio112 Cn (285) Nihonio113 Nh (286)Talio81 1 3 Tl 204,411850 Plomo82 2 4 Pb 207,211400 Flerovio114 Fl (289) Moscovio115 Mc (289)Bismuto83 3 5 Bi 209,09800 Polonio84 2 4 Po (209)(9200) Livermorio116 Lv (293) Teneso117 Ts (294) Oganesón118 Og (294) Astato85 ±1 3,5 7 At (210) Radón86 Rn (222) Silicio14 4 Si 28,12320 Fósforo15 ±3 5 P 31,01820 Azufre16 –2 4,6 S 32,12070 Cloro17 ±1 3 5,7 Cl 35,51560 Argón18 Ar 39,91400 Aluminio13 3 Al 27,02700Boro 5 ±3 B 10,82340 Carbono6 ±4 2 C 12,02260 Nitrógeno7 1,2 ±3 4,5 N 14,0810 Oxígeno8 –2 O 16,01140 Flúor 9 –1 F 19,01505 Neón10 Ne 20,11200Helio 2 He 4,0126 Elementos p: metalesyno-metales (elementosINTERNATRANSICIÓNDEMETALES f) METAL SEMIMETAL METALNO
Expresatuopinión DecíaThomasAlvaEdison,elfamosoinventorestadounidense,queeldescubrimientoesun1%deinspiraciónyun99%desudor.¿Quécualidadescreesquedebetenerunbuencientí-fico?Discútelocontuscompañerosycompañerasdeclase.
Los copos de nieve que chocaban contra el cristal de la ventana embe llecían todavía más el paisaje de aquella tarde de febrero de 1869 en San Petersburgo. Sin embargo, los ojos del profesor, acostumbrado a los climas extremos de su Siberia natal, estaban inmersos en cada una de las cartas que tenía dispuestas sobre el escritorio.
El sueño de Dmitri Mendeléiev
81
TRAS LAS HUELLAS DE LA CIENCIA
En cada una de aquellas fichas había anotada la masa atómica y las propiedades físicas más representativas de cada uno de los cincuenta y seis elementos químicos descubiertos hasta el momento. Durante sus viajes en tren por toda Rusia se había acostumbrado a entretenerse bara jando, agrupando y organizando todas aquellas cartas de distinta manera, como si de un solitario juego se tratase, en busca de un patrón oculto que resolviese aquel crucigrama imposible.
M. Souto, principia.io (2016).
[…] Derrumbado por el agotamiento tras un duro día de trabajo, reposó su enmarañada cabeza entre sus brazos y se dejó vencer por el sueño hasta quedar profundamente dormido. Al abrir los ojos se encontró solo y desubicado en un oscuro jardín donde la hierba parecía dibujar una inmen sa cuadrícula bajo sus pies. De repente, el jardín se iluminó y desde el cielo comenzaron a caer de forma regular enormes bloques de colores que representaban cada uno de los elementos con los que vivía obsesionado. Primero, cayeron el hidrógeno y el litio, que se situaron próximos el uno del otro, y a continuación, se formó una nueva columna con los elementos berilio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y sodio. Percibió cómo este último se ubicaba a la misma altura que el li tio. Había por fin encontrado la periodicidad que tanto ansiaba. […] También observó que algunos de los bloques ya colocados albergaban un interrogante que predecía la posición de elementos todavía por descubrir. Sin duda alguna, había asistido a la obra de arte más bella que jamás habría podido llegar a imaginar.
El descubrimiento de la tabla periódica es uno de los grandes hitos de la química. Se dice que Mendeléiev vislumbró su tabla de los elementos mientras dormía. Tal vez sucedió como se describe en esta lectura.Lee atentamente el texto. Luego podéis debatir en clase sobre esta apasionante época en que la química se consolidó como la ciencia que ahora es.
Al despertar, Dmitri Ivánovich Mendeléiev, toda vía tembloroso por la revelación de su sueño, bus có a tientas un trozo de papel donde anotar todo lo que había soñado.
LayElementoscompuestos.tablaperiódica
¿QUÉ SABES DE...?
321 ¿TE HAS PREGUNTADO ALGUNA VEZ QUÉ SON LOS ELEMENTOS QUÍMICOS? En esta unidad, estudiarás: Elementos y compuestos Los elementos y la tabla periódica El concepto de mol ¿Qué es la masa molar?4321
¿Sabrías decir el nombre de cinco elementos químicos? ¿Y de cinco compuestos?
¿Para qué sirven las tablas periódicas que hay en todos los libros de química?
¿Sería posible saber las partículas que hay en un vaso de agua? ¿Cómo será ese número?
Un elemento es una sustancia pura a partir de la cual no pueden obtenerse otras diferentes por procesos químicos. Esto es debido a que está formado por un solo tipo de átomos (con el mismo número atómico, Z).
El aluminio es un elemento químico. Esta sustancia está formada por un solo tipo de átomos.
¿A qué llamaban los alquimistas la «piedra filosofal»? ¿Para qué serviría?
El concepto actual de elemento químico fue enunciado por primera vez en 1661 por el químico inglés Robert Boyle, quien afirmaba que cual quier sustancia que no pudiera descomponerse en otras más simples debía ser considerada como un elemento químico.
Boyle se había formado en la tradición de la alquimia, pero entendía que los elementos eran sustancias simples de las cuales se componía el uni verso y que, al combinarse entre sí, podían dar lugar a todas las demás Estesustancias.concepto de elemento químico era revolucionario en el siglo xvii De acuerdo con él, los «cuatro elementos» de los alquimistas no eran tales. La introducción posterior de la teoría atómica permitió definir con exactitud qué son los elementos también desde el punto de vista microscópico.
¿Qué es un elemento químico?
1
Mucho antes de la existencia de la química como ciencia, los alquimistas, precursores en este campo del saber, creían firmemente en la teoría de los cuatro elementos. Pensaban que las sustancias estaban constituidas por aire, agua, tierra y fuego, mezclados en diferentes proporciones, por lo que era posible trasmutar unas en otras alterando dichas proporciones.
e
e
84 UNIDAD 4
Elementos y compuestos
Persiguiendo el sueño de convertir el plomo en oro, a lo largo de casi 2 000 años, los alquimistas aislaron nuevos elementos químicos, como el arsénico y el antimonio, y obtuvieron compuestos tan importantes como el ácido sulfúrico, al que llamaban vitriolo. Y ello sin olvidar la que sin duda es su contribución más importante: la gran cantidad de proce dimientos experimentales que desarrollaron, auténtico germen del laboratorio químico moderno.
No obstante, la alquimia no fue una ciencia como tal. Aunque se basaba totalmente en la experimentación, esta no estaba orientada a la valida ción de hipótesis. Además, los hallazgos se solían ocultar tras un len guaje oscuro e indescifrable, que hacía casi imposible la trasmisión de conocimientos.
Azufre Sólido Síntesisamarillo.deproductos químicos.
Helio Gas ligero e inerte. Mezclas gaseosas.
2. Cloro, silicio, mercurio, cromo y argón son algunos elementos químicos con importantes aplicaciones tecnológicas. A partir de los datos que puedes recopilar con ayuda de las fuentes de información, vas a realizar una presentación con una diapositi va para cada elemento, que incluya un título, las propiedades
Aplicaciones de los ELEMENTOS
Metal noble y abundante. Buen conductor eléctrico.
e
Titanio Metal Componenteligero. de aleaciones.
b) ¿Por qué crees que este elemento es el más abundante en el petróleo, el carbón o el gas natural?
Uranio Metal nucleares.Combustibleradiactivo.encentrales
Hidrógeno Gas ligero e respetuosoinflamable.Combustiblecon medioambiente.el
PlataOro
más destacadas del elemento en cuestión, los usos más impor tantes que posee y la ilustración o ilustraciones que consideres más adecuadas.
a) ¿Cuál es el elemento más importante en los seres vivos, tan to animales como plantas? ¿A qué se debe?
Lasrales.propiedades
de los elementos químicos son, asi mismo, muy diversas. Desde su estado de agrega ción a temperatura ambiente, pasando por su carác ter metálico o su reactividad química, estas propiedades condicionan sus posibles aplicaciones tecnológicas, que son, por tanto, tan diversas como las características de los propios elementos.
La gran mayoría de los elementos químicos proceden de la naturaleza, donde suelen estar combina dos con otros elementos. El elemento más sencillo y a la vez más abundante en el universo es el hidró geno, seguido del helio. Sin embargo, el elemento
que predomina en la superficie de la Tierra es el oxí geno, que se encuentra como gas en la atmósfera, formando parte del agua y en gran cantidad de mine
Metales nobles usados en joyería.
En la actualidad, se conocen poco más de cien ele mentos químicos. De ellos, algunos se encuentran presentes en el medio natural como tales, otros muchos forman compuestos e incluso una parte de ellos son artificiales o tan inestables que práctica mente no tienen interés.
3. En los últimos años, existe una creciente demanda de litio a nivel mundial. Utiliza libros, revistas de actualidad o Internet para obtener información sobre cómo se obtiene el litio y cuál es su uso principal. ¿Está justificado el gran interés comercial por este elemento químico? ¿Qué implicaciones –tanto posi tivas como negativas– puede tener la explotación de un yaci miento de litio en las cercanías de una población? Discútelo con tus compañeros y compañeras de clase.
Aplicaciones de los elementos químicos
85Elementos y compuestos. La tabla periódica
1. Busca la información necesaria en libros o en Internet y con testa a a estas cuestiones:
86 UNIDAD 4
Los subíndices nos indican que cada molécula de metano (CH4) está forma da por 1 átomo de carbono y 4 átomos de hidrógeno.
6. Interpreta cualitativa y cuantitativamente las fórmulas de los siguientes compuestos:
d) Todos los elementos se presentan combinados en la na turaleza.
b) Carbonato de sodio: Na2CO3
Gas metano
Si el compuesto está formado por moléculas in dependientes, la fórmula nos indica qué átomos y en qué número forman cada molécula.
Los símbolos nos indican que el com puesto está formado por hidrógeno (H) y carbono (C).
La justificación de esta proporción se encuentra en la estructura micros cópica: el agua está formada por moléculas, obtenidas al enlazarse dos átomos de hidrógeno (de masa atómica 1 u cada uno) con un átomo de oxígeno (de masa atómica 16 u).
CH4
c) Un elemento está formado por el mismo tipo de átomos.
Es un hecho experimental bien conocido que, cuando se forma un com puesto, los elementos que lo constituyen se combinan en proporciones fijas.
Compuestos y fórmulas
Un compuesto químico es una sustancia pura formada por varios tipos de átomos (con distintos números atómicos). Cuando se somete a procesos químicos, un compuesto da lugar a diferentes elementos químicos.
e) Un compuesto debe contener al menos dos elementos distintos.
a) Cualquier sustancia pura es un elemento.
La masa de cada átomo de hidrógeno es 1 u.
a) Ácido sulfúrico: H2SO4
En el agua, la proporción en masa H : O es 1 : 8
Si no aparece subíndice se sobrentiende que es un 1.
4. Razona si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas, justificando en cada caso tu respuesta:
Si es una red iónica, la fórmula es la expresión de la proporción de átomos de cada clase que la Laforman.fórmula, por tanto, nos da información, tanto cualitativa como cuantitativa, sobre el com puesto. Sabremos qué elementos forman el compuesto y también cuál es la proporción –en átomos– entre ellos.
b) Los elementos se encuentran en estado gaseoso.
5. La molécula de peróxido de hidrógeno está formada por dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno. ¿Cuál se ría su fórmula? ¿Qué semejanzas y qué diferencias tiene este compuesto con el agua?
La proporción de los átomos en un compuesto se expresa mediante una fórmula.
La masa de un átomo de oxígeno es 16 u.
¿Qué es un compuesto químico?
Por ejemplo, en el caso del agua (H2O), se comprueba que cada gramo de hidrógeno (H) se combina siempre con ocho gramos de oxígeno (O).
Como ya sabes, los átomos se agrupan de diversas formas. Cuando se unen átomos de distintos elementos químicos, se obtiene un com puesto químico.
c) Fosfato de potasio: K3PO4
O H H H2O
Los elementos y la tabla periódica
e
Se combinan con los no metales, sobre todo con el oxígeno y el azufre.
87
Elementos y compuestos. La tabla periódica
Metales No metales
Esta ampliación progresiva de la lista de elementos conocidos hizo necesario elaborar algún tipo de cla sificación.
b ¿Podrías enumerar tres datos sobre un elemento químico dado que se encuentren en la tabla periódica?
otros fácilmente observables, que permiten asignar los al tipo que les corresponde. Aun utilizando esta clasificación tan simple, hay ele mentos cuyas propiedades no encajan exactamente, ya que son intermedias entre las de los metales y los no metales. Estos elementos reciben el nombre de semimetales o metaloides.
Suelen ser opacos y mates Son aislantes eléctricos y caloríficos.Sonfrágiles y se fragmentan al Susgolpearlos.densidades son bajas Tienen, por lo general, bajos puntos de fusión Casi todos son blandos Se combinan con los metales y también entre sí.
Tienen un brillo característico: el brillo metálico Conducen la electricidad y el calor Es posible darles forma, obteniéndose láminas (maleables), hilos (dúctiles) o planchas
La mayoría son duros
Si hay algo que no puede faltar en cualquier libro de química es una tabla periódica. Esta tabla es realmente una herramienta indispensable para el estudio y la aplicación de importantes conceptos relacionados con el comportamiento químico de los elementos.
7. Como puedes ver en las fotos, la plata es un metal, mientras que el fósforo es un no metal. Por otra parte, el silicio es un semimetal. Busca los datos necesarios en libros o en Internet y utilízalos para realizar una ficha para cada uno de estos tres elementos.
¿Cómo pueden clasificarse los elementos químicos?
A mediados del siglo xvii se conocían solo trece ele mentos químicos. La introducción, a partir de Boyle, de un nuevo método, consistente en descomponer las sustancias para obtener otras más simples, con dujo al descubrimiento de nuevos elementos, de modo que a finales del siglo xviii se conocían 33 ele mentos y a mediados del siglo xix, ya eran 55.
En esa época se produjo un gran desarrollo de la ciencia química, por lo que continuaron los descubri mientos de nuevos elementos.
e e
La clasificación de los elementos químicos se basa en establecer un criterio común que compartan algunos de ellos, relacionado con ciertas propieda des físicas o químicas.
De este modo, una primera forma de clasificar los elementos distingue entre metales y no metales, con base en una serie de propiedades de unos y
2
a ¿Sabes qué información contiene la tabla periódica?
Tienen densidades altas Sus puntos de fusión son, con algunas excepciones, bastante altos
88 UNIDAD 4
Cuando se descubrió el protón, el físico inglés Henry Moseley propuso disponer los elementos en orden creciente de sus números atómicos. En la mayoría de los casos, este orden coincidía con el de masas atómicas y, además, conseguía explicar los cambios que Mendeleiev tuvo que realizar con algunos ele mentos para conservar la periodicidad de las propie dades.
La tabla periódica actual se compone de los 118 elementos conocidos. Estos se ordenan de acuerdo con sus números atómicos (Z) y se distri buyen en filas o períodos y en columnas, llamadas grupos o familias la ley periódica? es la tabla periódica actual?
Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118 ACTÍNIDOSLANTÁNIDOS
Los elementos de la parte izquierda e inferior de la tabla son metales, excep to el hidrógeno.
Las propiedades de los elementos químicos se repiten periódicamente al disponerlos en orden creciente de sus números atómicos. Este hecho se conoce como ley periódica.
¿ Qué es
Ya en el siglo xix, algunos químicos comenzaron a observar que las propiedades de ciertos grupos de elementos eran similares. De este hecho, surgieron diversas clasificaciones de los elementos, algunas realmente curiosas.
Sobre 1868, el químico ruso Dimitri Ivanovich Men deleiev y el alemán Julius Lothar Meyer, de manera independiente, idearon una disposición de los ele mentos conocidos en forma de tabla, una vez orde nados de acuerdo con sus masas atómicas. La genialidad de Mendeleiev fue intuir que la repetición periódica de las propiedades era más importante que la secuencia de las masas. Esto le llevó a inter cambiar el orden de algunos elementos y a dejar los huecos de otros, que serían descubiertos en los años posteriores.
¿Cómo
A la derecha se encuentran los no metales.
Los semimetales aparecen en una línea escalonada entre metales y no metales.
Variación del carácter metálico y el tamaño atómico.
b) El carbono es un no metal, mientras que el silicio es un semimetal y el plomo es un metal. Razona si esto está de acuerdo con lo que indica la figura. c) Utiliza la figura para comparar los átomos de rubidio y co balto en lo que respecta a su tamaño atómico y a su carácter metálico.
En realidad pertenecen a los períodos 6 y 7, respectivamente, como indican sus números atómicos.
Los elementos de un mismo grupo o familia presentan propiedades químicas similares; esto quiere decir que forman compuestos parecidos y que participan en los mismos procesos químicos.
a) ¿Cuántos no metales existen?
Hay 7 períodos o filas, numerados de arriba abajo.
Los lantánidos y actínidos apa recen fuera del cuerpo principal por comodidad de manejo.
PERÍODODisminuyeAumenta
HayACTÍNIDOSLANTÁNIDOS
d) ¿Cuál es y dónde se sitúa el elemento químico de número atómico 42?
GRUPO
Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118
8. Observa la tabla periódica, y contesta a estas cuestiones:
a) De acuerdo con la figura, ¿qué átomo será mayor: el de silicio o el de cloro?
18 grupos o columnas, que se numeran correlativa mente de izquierda a derecha.
9. Usando la tabla periódica, indica:
a) El nombre y el símbolo de tres semimetales.
c) ¿Qué tipo de elemento son el fósforo y el cloro?
Algunas propiedades de los átomos va rían gradualmente a lo largo de un perío do, de izquierda a derecha. Así, la masa atómica va aumentando y el tamaño del átomo va disminuyendo, aunque existen algunas excepciones.
La utilidad de la tabla periódica radica en que es un compendio de información sobre los elementos químicos. Cada elemento pertenece a un grupo y a un período dados, y ello nos indica cuáles son sus propiedades y cómo es su com portamiento químico.
b) ¿Qué elementos forman el tercer período?
d) ¿En qué grupo y período se encuentra el cesio (Cs)?
89Elementos y compuestos. La tabla periódica Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118 Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118
¿Y el grupo 11?
b) El nombre y el símbolo de dos lantánidos.
10. Observa la figura que aparece a continuación. En ella se explica cómo varían dos propiedades de los elementos quí micos: el carácter metálico y el tamaño atómico.
c) ¿Cuántos elementos contiene el sexto período?
Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118
Halógenos. F, Cl, Br, I, At, Ts
Grupo 18. Gases nobles.
➜ Se oxidan con mucha facilidad, formando un óxido blanco.
➜ Son muy buenos conductores del calor y la electricidad.
90 UNIDAD 4
➜ Son inertes químicamente, por lo que no tienen tendencia a for mar compuestos.
➜ Sus puntos de fusión y de ebullición au mentan al descender en el grupo (a tempera tura ambiente, F y Cl son gases, Br es líquido, I y At son sólidos).
He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og ➜ Son
➜ Son blandos, muy dúctiles y maleables.
Metales alcalinos. Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
De los 18 grupos de la tabla periódica, hay algunos que destacan por su importancia. Por ejemplo, si nos fija mos en la reactividad química, que es la capacidad que posee un elemento para formar compuestos, en la tabla encontramos desde elementos que son altamente reactivos hasta otros que son muy poco o incluso nada Entrereactivos.los elementos más reactivos tenemos los correspondientes a los grupos 1 y 17 de la tabla periódica, denominados metales alcalinos y halógenos, respectivamente. Por el contrario, los gases nobles (grupo 18) son químicamente inertes.
➜ Sus puntos de fusión y ebullición son bajos.
Algunos grupos de interés
Li 3 2 Be 4 1 Mg 12 Na 11 H 1 V 23 Sc 21 Ca 20 K 19673154 1098765432 131211 1817161514 Ba 56 Sr 38 Ac 89 Cs 55 Zr 40 Ti 22 Y 39 Rb 37 Ra 88 Fr 87 Hf 72 La 57 Nb 41 Tc 43 Ru 44 Fe 26 Mn 25 Cr 24 Re 75 Sg 106 Db 105 Ta 73 Rf 104 Hs 108 Bh 107 Os 76 Mo 42 W 74 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Ce 58 Pu 94 Np 93 U 92 Pa 91 Th 90 Eu 63 Sm 62 Pm 61 Nd 60 Pr 59 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Am 95 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 118 Grupo 1. Metales alcalinos. Grupo
➜ Reaccionan violentamente con otras sus tancias.
11. Trabajando en equipos de tres o cuatro, utilizad la información del códi go QR para conocer otros grupos de la tabla periódica. Luego, escoged un ele mento químico perteneciente al amplio conjunto de los metales de transición y buscad información adicional sobre sus características y aplicaciones, para realizar un pequeño póster o diapositi va. Podéis llevar a cabo una puesta en común, siguiendo las indicaciones de vuestro profesor o profesora. 17. nobles. gases a temperatura am biente.
Halógenos. Gases
e
➜ Son muy reactivos. Se combinan con faci lidad y forman gran cantidad de compuestos con otros elementos.
109 131211 1817161514 Rh 45 Pd 46 Ag 47 Cu 29 Ni 28 Co 27 Mt 109 Au 79 Pt 78 Ir 77 Sn 50 Ge 32 Tl 81 Hg 80 In 49 Ga 31 Zn 30 Cd 48 Po 84 Bi 83 Pb 8 Lv 116 Fl 1142 Te 52 Se 34 As 33 Sb 51 Rn 86 Xe 54 Kr 36 Ar 18 Ne 10 He 2 I 53 At 85 Br 35 Cl 17 F 9 S 16 O 8 P 15 N 7 Si 14 C 6 Al 13 B 5 Fm 100 Er 68 Es 99 Ho 67 Cf 98 Dy 66 Bk 97 Cm 96 Tb 65 Gd 64 Lr 103 No 102 Md 101 Lu 71 Yb 70 Tm 69 Ds 110 Rg 111 Cn 112 Nh 113 Mc 115 Ts 117 Og 18118 NaH 3856 4022 2947 NeKrHe157135 TbBk NoYb
8 e
Para que puedas comprender cómo ocurre, observa la siguiente figura en la que se comparan las configuraciones electrónicas de algunos elementos representa tivos de grupos de la tabla periódica.
,
B 5 L = 3 e C 6 L = 4 e N 7 L = 5 e O 8 L = 6 e F 9 L = 7 e LNe10=8e MAl13=3 e MSi14=4 e MP15=5 e MS16=6 e MCl17=7 e MAr18=8 e 13 14 15 16 17 18 He2K=2 e H 1 K = 1 e Li 3 L = 1 e MNa11=1 e LBe4=2 e Mg12M=2 e 1 2 B 5 L = 3 e C 6 L = 4 e N 7 L = 5 e O 8 L = 6 e F 9 L = 7 e LNe10=8e MAl13=3 e MSi14=4 e MP15=5 e MS16=6 e MCl17=7 e MAr18=8 e 13 14 15 16 17 18 He2K=2 e H 1 K = 1 e Li 3 L = 1 e MNa11=1 e LBe4=2 e Mg12M=2 e 1 2 Metales alcalinos
La tabla periódica y la configuración electrónica
Tienen el último nivel ocu pado completo, o con 8 electrones.
12. Cuando descendemos en un grupo de la tabla periódica, el tamaño de los átomos aumenta.
¿Qué explicación podemos dar a este hecho, teniendo en cuen ta la forma en que se llenan las capas de electrones?
13. La forma de la tabla periódica es irregular, ya que el número de elementos de los grupos y períodos es diferente. Concretamente, el primer período solo contiene dos elementos: el hidrógeno y el helio. En el segundo período, sin embargo, hay ocho elementos, desde el litio al neón. Teniendo en cuenta la relación entre la tabla periódica y la con figuración electrónica, redacta un breve párrafo justificando por qué estos dos períodos contienen exactamente ese número de elementos.
Tienen 1 electrón en su último nivel ocupado.
¿Por qué ocurre? Cuando pasamos de un elemento de la tabla periódica al siguiente, incrementamos en uno su número atómico. Esto significa que se añade un protón más al núcleo y también un electrón adicional a la corteza. Al completarse una capa, el electrón del elemento siguiente debe colocarse en la capa inmediatamente superior, que, de este modo, comienza a llenarse.
Así, cada vez que se completa una capa, vuelve a repetirse la configuración más externa de la corteza, que es la que determina el comportamiento químico de un elemento. Esto sucede en todos los elementos de un mismo grupo, lo que significa que tendrán unas propiedades químicas similares.
F → K = 2 e , L = 7 e Cl → K = 2 e , L = 8 e , M = 7 e
e , L
Gases nobles
8 e , M
91Elementos y compuestos. La tabla periódica
He → K = 2 e Ne → K = 2 e L = 8 e Ar → K = 2 = =
Utiliza como ejemplo dos elementos que se encuentren en el mismo grupo para ilustrar tu respuesta.
e
La ley periódica encuentra su explicación en la configuración electrónica de los átomos de los distintos elementos químicos.
Li → K = 2 e , L = 1 e Na → K = 2 e , L = 8 e , M = 1 e
La configuración de los gases nobles es la más estable, ya que completan sus capas o bien poseen 8 electrones en su capa más externa; recuerda la regla del octeto. Pero los metales alcalinos y los halógenos son muy reactivos: deben combinarse para alcanzar la máxima estabilidad y tienden a formar iones, como vimos en la unidad 3.
Halógenos
Tienen 7 electrones en su último nivel ocupado.
92 UNIDAD 4
–simbolizada como n– no debe confundirse con la masa. La cantidad de materia se refiere al número de partículas que compo nen una porción de materia, ya que son estas partículas las que interac cionan durante los procesos químicos.
El mol es la unidad de cantidad de materia del Sistema Internacio nal. Un mol equivale a un número de partículas igual a 6,022 · 1023 (número de Avogadro).
El agua está formada por moléculas de H2O. Cada mol de agua contiene 6,022 · 1023 moléculas.
El cobre es un metal formado por átomos de este elemento. Cada mol de cobre contiene 6,022 · 1023 átomos.
3
Un ejemplo nos valdrá para entenderlo. Se dice que una persona puede poseer en su cerebro más de ochenta mil mi llones de neuronas. Pues bien, para reunir un solo mol de neuronas sería necesario contar con mil veces toda la población mundial.
Los químicos estudian la materia y sus transformaciones desde un punto de vista macroscópico, basado en las observaciones experimentales. Sin embargo, la explicación de los hechos observados se encuentra a nivel microscópico, en función de las partículas constituyentes de la materia.
Un número difícil de imaginar
1 mol = 6,022 · 1023 partículas
Como toda magnitud, la cantidad de materia tiene una unidad: el mol, que está definido como un número fijo de partículas. Este número se conoce como número de Avogadro, en honor al químico italiano del mismo nombre, Amedeo Avogadro.
El concepto de mol e e
En química hay una magnitud de suma importancia: la cantidad de materia. Se trata de una de las magnitudes básicas del Sistema Inter Estanacional.magnitud
¿Cuántas partículas (átomos o moléculas) piensas que puede haber en una pequeña porción de materia? ¿De qué orden de magnitud estaríamos hablando?
Las partículas que forman la materia son muy pequeñas. Debido a esto, el número de partículas contenidas en cualquier porción observable de mate ria es muy alto. De ahí que el número de Avogadro, que define un mol, sea tan grande y no tenga ninguna utilidad en el mundo macroscópico.
OBSERVA Y APRENDE
2 átomos de oxígeno (O)
c) Las partículas contenidas en 0,3 moles.
el número de moles que corresponde a una cierta canti dad de partículas, o viceversa, basta con aplicar las correspondientes relaciones de proporcionalidad, considerando que un mol contiene un número de Avogadro (6,022 · 1023) de partículas.
Un mol, por tanto, se refiere a un número fijo y determinado de partí culas, con independencia de cuáles sean estas. Así, podemos hablar de 1 mol de átomos de hierro, 1 mol de moléculas de agua o 1 mol de elec Paratrones.calcular
En un recipiente hay 3,011 · 1024 moléculas de una cierta sustancia. Calcula cuántos moles de esa sustancia habrá en el recipiente. ¿Cuántas molécu las contendrá ese recipiente si se añaden 4 moles más?
mol = 6,022 · 1023 moléculas
moléculas = 9 mol · 6,022 · 1023 moléculas 1 mol = 5,4198 · 1024 moléculas
¿Qué ocurre si el compuesto es iónico? En este caso hablamos de masa fórmula, que se calcula de la misma manera que la masa molecular.
La masa molecular del CO2 es: M (CO2) = 1 · 12 u + 2 · 16 u = 44 u
c) Fosfato de sodio (Na3PO4).
a) Ácido nítrico (HNO3).
1 átomo de carbono (C)
Las partículas a las que se refiere el mol pueden ser átomos o moléculas.
14. Utilizando la definición de mol, calcula:
El recipiente contiene 5 moles de esta sustancia. Si añadimos otros 4 moles más, contendrá en total 9 moles, y el número de moléculas en el recipiente será:n.º
e) El número de partículas que hay en 2,6 moles.
15. Consulta la tabla periódica para obtener los valores de masas ató micas necesarios, y calcula la masa molecular de los siguientes com puestos químicos:
O C O
93
n = 3,011 · 1024 moléculas × 1 mol 6,022 · 1023 moléculas = 5 mol
¿Qué masa tiene una partícula?
d) Los moles equivalentes a 3,011 · 1023 partículas.
Veamos el siguiente ejemplo.
Para calcular el número de moles a partir de las moléculas planteamos una relación de proporcionalidad, definida a partir del número de Avogadro, teniendo en cuenta que:1
La masa atómica de cada elemento es: Masa atómica de C = 12 u Masa atómica de O = 16 u
Elementos y compuestos. La tabla periódica
En el recipiente, que contiene 9 moles de sustancia, hay unas 5,4 · 1024 moléculas, es decir, 5,4 cuatrillones de moléculas.
Una molécula de dióxido de carbono (CO2) está formada por:
En el caso de una molécula, su masa recibe el nombre de masa molecu lar; se determina a partir de la fórmula de la molécula, sumando las masas de los elementos que la forman.
b) Acetona (C3H6O).
La masa de un átomo es su masa atómica, que coincide con su número másico (A). Sin embargo, la masa atómica de un elemento químico viene dada por el promedio de las masas de sus isótopos; es un dato que podemos consultar en la tabla periódica.
a) El número de partículas que equivalen a 6 moles.
b) Los moles que equivalen a 2,7099 · 1024 partículas.
La correspondencia entre la masa, en gramos, y el número de partícu las da lugar a una nueva magnitud: la masa molar.
e
Es necesario, por lo tanto, establecer una correspondencia entre ambas unidades. Esta correspondencia ya se tuvo en cuenta al definir el mol, que se tomó de tal forma que el número de partículas que contiene (el número de Avogadro) tuviera una masa igual a la masa molecular expre sada en gramos.
Observa que se trata de tres magnitudes diferentes, aunque están rela cionadas:
94 UNIDAD 4
De acuerdo con esto, si conocemos la masa molecular de una sustan cia, sabemos su masa molar y la cantidad de esta en gramos que se corresponde con 1 mol.
Veámoslo con el ejemplo del agua.
La masa molar (M) es la masa de una sustancia ‒expresada en gra mos‒ que contiene 6,022 · 1023 partículas constituyentes de dicha sustancia, es decir, 1 mol.
Cada 18 g de agua tenemos 1 mol de esta sus tancia, que contiene 6,022 · 1023 moléculas.
➜ La cantidad de materia (n), dada por el número de partículas, que se expresa en moles.
6,022 · 1023 moléculas H2O
En un vaso de agua hay trillones de moléculas de esta sustancia (H2O).
Cada molécula de agua (H2O) tiene una masa de 18 unidades de masa atómica (u). mol H2O
4
16. Tomando como modelo la figura ex plicativa de esta misma página, realiza una figura semejante para el dióxido de manganeso (MnO2), componente prin cipal de la pirolusita, mineral que se usa como mena para la obtención de man ganeso metálico. Busca los datos nece sarios en la tabla periódica.
Masa molecular H2O = 18 u
➜ La masa molecular, que es la masa de una molécula, en unidades de masa atómica (u).
18 g H2O 1
Masa molar H2O = 18 g/mol
El mol es una unidad de cantidad de materia que se basa en el número de partículas; pero la materia se cuantifica habitualmente a través de su masa, medida en gramos o kilogramos.
Su valor coincide con el de la masa molecular y su unidad es el g/mol.
¿Qué es la masa molar?
➜ La masa molar (M), que es la masa de 1 mol de la sustancia, cuya unidad es es g/mol.
a) 0,54 g de agua (H2O).
d) 45 mg de monóxido de carbono (CO).
¿Cómo relacionamos la masa con el número de moles?
b) La masa molar y la masa molecular se representan me diante el mismo número, aunque son magnitudes diferentes.
a) Un mol de átomos de hidrógeno tiene menos masa que un mol de átomos de oxígeno.
d) Para definir la masa molar, es necesario que la sustancia esté formada por moléculas.
18. Una botella de oxígeno contiene 935 g de este gas. Sa biendo que la fórmula del oxígeno elemental es O2, ¿cuántos moles de oxígeno hay en la botella? ¿Cuántas moléculas hay en el recipiente? ¿Cuántos átomos contiene?
Una vez que conocemos la masa molar del amoníaco, podemos calcular el número de moles que corresponde a 136 gramos de este gas.
El amoníaco es un gas irritante cuyas moléculas están formadas por la unión de un átomo de nitrógeno (N) con tres átomos de hidrógeno (H). Calcula la masa molar del amoníaco y cuántos moles de este gas hay en un recipiente que contiene 136 gramos de esta sustancia.
Dado que, como acabamos de ver, la masa molar corresponde a la masa de un mol, la relación entre el número de moles (n) y la masa en gramos (m) de cualquier porción de sustancia se establece a través de su masa molar (M).
Masa molecular NH3 = 1 átomo N × m (N) + 3 átomos H × m (H)
Número de moles = Masa (g)
Masa molecular NH3 = 1 × 14 u + 3 x 1 u = 17 u → M = 17 g/mol
b) 5,5 g de dihidruro de berilio (BeH2).
c) 225 g de nitrógeno gaseoso (N2).
la masa molecular del amoníaco:
Número de moles = Masa (g) Masa molar (g/mol) → n = mM
17. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o fal sas. Justifica tu respuesta.
OBSERVA Y APRENDE
En cada 17 gramos de NH3 tenemos 1 mol, es decir, 6,022 · 1023 moléculas de NH3
La masa molar se calcula a partir de la masa molecular expresándola en Calculamosg/mol.
c) La masa molar es la misma para todas las sustancias, ya que es la masa de un número de Avogadro de partículas.
A partir de esta expresión, podemos realizar los cálculos necesarios para determinar el número de moles que corresponde a una cierta can tidad de una sustancia en gramos o viceversa. Fíjate en el ejemplo.
AmoníacoNH3
Masa molar (g/mol) ; n = mM = 136 g 17 g/mol = 8 mol NH3
19. Calcula el número de moles y de partículas contenidos en las siguientes cantidades de cada sustancia:
95Elementos y compuestos. La tabla periódica
El recipiente contiene 136 g de amoníaco, que equivalen a 8 moles de este gas.
La concentración molar
Dado que las cantidades de disolvente y solutos pueden ser distintas, para cada disolución se calcula su concentración, que puede expresarse de distintas formas.
c) ¿Cuál es la concentración de la disolución en g/L? d) Halla la molaridad de la disolución.
20. Para preparar una disolución concentrada de sal común (cloruro de sodio, NaCl) en agua, Adela ha pesado 40 g de sal, que ha introducido en un ma traz aforado de 200 mL. Después ha añadido el agua necesaria para disolver la sal, hasta la marca de en rase.
c) 500 mg de yoduro de potasio (Kl) se disuelven en agua, obteniendo un volumen final de disolución de 100 mL.
El volumen de disolución es:
La concentración molar de esta disolución es:
Se colocan en un matraz 20 g de clo ruro de cobre(II), cuya masa molar es 134,5 g/mol.
e) ¿Cuál sería la molaridad si Adela hubiese pesado la mitad de soluto? Razona la respuesta sin necesidad de realizar los cálculos.
Se le añade agua hasta alcanzar un volumen de disolución de 250 mL.
VDisolución = 250 mL = 0,25 L
b) ¿Cuántos moles de cloruro de sodio hay en la diso lución? Realiza el cálculo.
PROFUNDIZA 96 UNIDAD 4
Una disolución es, como sabes, una mezcla homogénea de composición variable. El componente mayoritario es el disolvente y las sustancias que hemos disuelto reciben el nombre de solutos. En el laboratorio, la forma habitual de preparar una disolución requiere el uso de una balanza y de un matraz aforado.
Fíjate en el siguiente ejemplo, en el que se ha preparado una disolución disolviendo cloruro de cobre(II) (CuCl2) en agua y se calcula su concentración molar.
Molaridad = nSoluto VDisolución = 0,150,25molL = 0,6 mol/L
Molaridad = Moles de soluto Volumen de disolución = Vn
Una forma bastante habitual de expresar la concentración de una disolución con siste en calcular su concentración molar o molaridad. Se obtiene calculando el cociente entre el número de moles de soluto que se ha disuelto y el volumen de la disolución. Su unidad es el mol /L.
21. Calcula la concentración molar o molaridad de las siguientes disoluciones:
El n.º de moles de soluto es:
a) ¿Cuál es la masa molar del cloruro de sodio? Busca los datos necesarios en la tabla periódica.
nSoluto = m M = 20 134,5g = 0,15 mol 250 mL
a) 25 mL de una disolución contienen 0,08 mol de so luto disueltos.
b) Se disuelven 30 g de nitrato de sodio (NaNO3) en agua hasta un volumen final de disolución de 500 mL.
Estudiamos las propiedades de NOMETALESMETALES y la LEY PERIÓDICA
que ordena los elementos en la TABLA PERIÓDICA según sus N.º ATÓMICO y PROPIEDADES distribuyéndolos entre 7 filas o PERÍODOS y 18 columnas o GRUPOS
Abordamos el CONCEPTO DE MOL como un número de partículas igual al N.º DE AVOGADRO y aprendimos a calcular la MASA MOLECULAR o masa fórmula de un compuesto.
Comenzamos distinguiendo entre COMPUESTOSELEMENTOS y aprendiendo el significado de las FÓRMULAS
Según sea posible o no obtener otras sustancias diferentes por procesos químicos, o si están formados por uno o varios tipos de átomos, es posible distinguir los elementos de los com puestos. En estos últimos, las fórmulas químicas nos indican los elementos que los forman y la proporción existente entre ellos.
Además de diferenciar entre metales o no metales, los intentos por clasificar los elementos durante el siglo xix culminaron con las tablas de Mendeleiev y Lothar Meyer, que establecie ron las bases de la actual clasificación de los elementos. La tabla periódica, que ordena los 118 elementos conocidos en orden creciente de sus números atómicos, contiene 7 períodos y 18 grupos, cuyos elementos comparten propiedades químicas similares (ley periódica). Algunos son especialmente relevantes, como los metales alcalinos, los halógenos y los gases nobles. Tanto el comportamiento químico periódico de los elementos como la propia forma de la tabla se justifican a partir de la configuración electrónica.
Finalmente, abordamos el concepto de MASA MOLAR que permite calcular cantidades de sustancia.
A partir de la masa molecular de una sustancia, se define su masa molar, que nos permite conocer la masa en gramos de dicha sustancia que equivale a un mol de la misma. A partir de ella, es posible establecer una correspondencia entre la masa (magnitud macroscópica) y la cantidad de materia (magnitud microscópica) en moles de una sustancia.
La correspondencia entre el mundo microscópico de átomos y moléculas y el mundo macros cópico se establece a través del mol, unidad fundamental de cantidad de materia, que se define como un número de partículas igual a 6,022 · 1023, conocido como número de Avoga dro. Por otra parte, definimos la masa molecular como la masa de un compuesto, dada por la suma de las masas atómicas de los elementos que lo forman.
97Elementos y compuestos. La tabla periódica
22. Define qué es un elemento químico. ¿Qué procedimiento deberíamos seguir para averiguar si una sustancia dada es un elemento o no?
a) Gas hidrógeno: su molécula está formada por la unión de dos átomos de hidrógeno (H2).
d) Carbonato de calcio: al calentarlo a alta temperatura desprende dióxido de carbono y cal viva (óxido de calcio).
24. Una de las clasificaciones más inmediatas de los ele mentos es en metales y no metales.
b) ¿Dirías que el oxígeno es un metal? Explícalo.
a) Cu, K, Ti, Fe b) C, Sn, Pb, As
a) Un átomo de níquel es más pequeño que un átomo de calcio.
a) ¿A qué grupos nos estamos refiriendo? Enumera los ele mentos que los componen.
a) Señala dos características relevantes en las que te pue des basar para identificar con facilidad un elemento metáli co. Pon un ejemplo.
b) Nitrógeno, fósforo y selenio son tres elementos del grupo 15 de la tabla periódica.
b) El aluminio y el germanio son semimetales.
D Es un gas inerte que no reacciona químicamente.
d) El sexto período de la tabla periódica tiene 18 elementos, que van del cesio al gas noble radón.
E Es un sólido cuyos átomos tienen una gran tendencia a ganar un electrón.
26. Escribe el símbolo y el nombre de todos los elementos del tercer período, y clasifícalos según su menor o mayor carácter metálico.
b) Fluorita: mineral formado por una red cristalina de catio nes calcio y aniones flúor.
32. Los elementos de los grupos 1 y 17 de la tabla periódica son los de mayor reactividad química.
b) ¿Qué criterio se maneja actualmente para ordenar los elementos químicos?
c) Hierro: metal formado por la unión de millones de áto mos de hierro.
d) ¿Qué significa exactamente que se repiten las propieda des de los elementos químicos?
28. Con ayuda de la tabla periódica, reescribe los siguientes enunciados para que sean correctos:
27. Escribe el nombre y el símbolo de los elementos del se gundo grupo de la tabla periódica. ¿Cómo se denomina esta familia de elementos? Puedes consultar el código QR de la página 90.
a) El cromo se encuentra en el noveno período de la tabla periódica.
B Es buen conductor de electricidad, pero reacciona con gran facilidad.
c) El sodio es el elemento químico de número atómico 23. d) El hierro y el cobre pertenecen al mismo grupo de la tabla periódica.
98 UNIDAD 4
29. Considerando cómo varía el carácter metálico de los elementos al bajar en un grupo y al avanzar en un período, ordena los siguientes elementos de mayor a menor carácter metálico. Explica tu razonamiento en cada caso.
31. Escribe la configuración electrónica del oxígeno y del azufre, buscando previamente sus números atómicos en la tabla periódica. ¿Por qué crees que ambos elementos se en cuentran en el mismo grupo de la tabla periódica?
a) ¿Qué criterio utilizaron estos científicos para ordenar los elementos?
c) ¿Qué nos dice la ley periódica?
34. ¿Qué es un compuesto químico? Pon algún ejemplo. ¿Cómo podemos diferenciar un elemento de un compuesto químico?
c) El cromo y el wolframio tienen propiedades químicas si milares.
23. Teniendo en cuenta el concepto de elemento químico, justifica cuál o cuáles de las siguientes sustancias pueden considerarse elementos:
25. La tabla periódica actual tiene su precedente en las ta blas de Mendeleiev y Lothar Meyer.
33. En un laboratorio se han investigado elementos desco nocidos que pertenecen a uno de estos tres grupos: metales alcalinos, halógenos o gases nobles. A partir de sus propie dades, trata de identificar en qué grupo está cada uno de ellos:
b) ¿Qué justificación puede darse a la alta reactividad de estos elementos?
Elemento Propiedades
A Elemento gaseoso a temperatura ambiente y muy reactivo.
30. Justifica de acuerdo con la tabla periódica si estas afir maciones son verdaderas o falsas:
C Tiene una gran tendencia a formar un catión al perder un electrón.
42. Para los siguientes compuestos, calcula su masa mole cular y su masa molar, e interpreta el resultado:
b) Ácido sulfúrico: H2SO4
36. Responde brevemente estas cuestiones, utilizando la fórmula de algún compuesto químico concreto para ilustrar tus respuestas:
Contiene 12,5 kg de gas butano (C4H10), es decir, g de gas.
En la bombona hay moles de gas butano (C4H10).y, por tanto, hay moléculas de butano (C4H10).
b) Dióxido de silicio: SiO2
35. Ya sabes que se conocen 118 elementos químicos. ¿Cómo podrías justificar, entonces, que se conozcan millo nes de compuestos químicos, con gran diversidad de pro piedades?
a) Trióxido de dicromo: Cr2O3
c) Tetracloruro de estaño: SnCl4
e) Dihidróxido de calcio: Ca(OH)2
46. Realiza los cálculos necesarios y completa el siguiente esquema, sustituyendo los símbolos por las cantidades adecuadas:
d) Dos litros de agua tienen una masa de 2 kg, que equiva len a moles de agua.
45. Observa estos dos recipientes y, sin necesidad de reali zar cálculos, contesta las siguientes cuestiones: PCl3 6 moles PCl5 6 moles
44. El mármol está compuesto fundamentalmente por car bonato de calcio (CaCO3). Si suponemos que todo el mármol es carbonato de calcio, ¿cuántos moles de este compuesto hay en un trozo de 400,4 g de mármol?
41. Define qué es la masa molar de una sustancia. ¿Por qué se expresa con el mismo número que la masa molecular, si son magnitudes diferentes?
La masa de una molécula de butano es u.La masa molar del gas butano es g/mol.
39. ¿Cómo se define el mol? ¿De qué magnitud es la unidad? Explica por qué el mol no es una unidad de masa.
a) ¿En cuál de los dos recipientes hay un mayor número de moléculas?
a) En un frasco tenemos 0,5 moles de etanol (alcohol desin fectante), o lo que es igual, moléculas de etanol.
a) Fenol: C6H6O
Elementos y compuestos. La tabla periódica
b) ¿Qué indican los subíndices que aparecen en la fórmula?
d) Ácido perclórico: HClO4
b) Un trozo de cobre contiene 1,5055 · 1024 átomos de co bre, que equivalen a moles de este metal.
Por cada g tenemos 1 mol de gas y, por tanto, moléculas de C4H10
38. Obteniendo los datos necesarios de masas atómicas a partir de la tabla periódica, calcula la masa molecular de cada una de las siguientes sustancias a partir de sus fórmu las:
f) Trinitrotolueno: C7H5O6N3
a) Calcula, utilizando la definición de mol, cuántas molécu las de butano contiene el recipiente.
c) Ácido fórmico: CH2O2
a) ¿Qué significado tiene la fórmula de un compuesto quí mico?
40. Un recipiente contiene 0,35 moles de gas butano (C4H10).
d) Acetaldehído: C2H4O
37. Dados los siguientes compuestos químicos, interpreta sus fórmulas, indicando cuáles son los elementos que los componen y la proporción entre sus átomos en el compuesto:
b) Etano: C2H6
e) Glicerina: C3H8O3
d) Formaldehído: CH2O
a) Dióxido de carbono: CO2
b) ¿Cuál de los dos recipientes contiene un mayor número de átomos de fósforo? ¿Y de cloro?
43. Realiza los cálculos necesarios e indica en tu cuaderno el valor de cada símbolo :
b) Halla cuántos átomos de carbono y de hidrógeno hay en el recipiente.
99
c) Etanol: C2H6O
c) En una botella hay 15 moles de agua, por lo que contiene moléculas de esta sustancia.
Es necesario en los tratamientos dentales y resulta funda mental para fabricar teflón.
b) Considerando la equivalencia entre la unidad de masa ató mica y el kilogramo, que puedes consultar en libros o en Inter net, expresa la masa de esta molécula en g. c) ¿Cuántas moléculas de sacarosa hay en un paquete de 1 kg de azúcar?
52. Un buen número de elementos químicos –sobre todo los que se han descubierto más recientemente– homenajean con sus nombres a científicos relevantes. Solo dos de ellos home najean a mujeres: el curio (Cm, Z = 96), en honor de Marie Cu rie, y el meitnerio (Mt, Z = 109), que debe su nombre a la física austríaca Lise Meitner. Busca información sobre esta impor tante científica del siglo xx y redacta una breve nota biográfica sobre ella.
Tiene un gran poder desinfectante y decolorante, por lo que se usa frecuentemente para procesos de blanqueo de mate riales.Seutiliza
mucho en los procesos de obtención de compues tos para agricultura, como insecticidas y fungicidas.
53. Lidia y Ana han ido en su coche a la playa. En el trayecto han consumido cierta cantidad de gasolina, expulsando a la atmós fera 2 728 g de dióxido de carbono (CO2).
49. Los halógenos (F, Cl, Br, I) poseen también aplicaciones de gran interés. Investiga en libros o en Internet y relaciona cada elemento con una de las siguientes aplicaciones. Luego, reali za un esquema utilizando la información.
51. La sacarosa es el azúcar que consumimos habitualmente, añadiéndolo a nuestras bebidas.
a) Cromo. b) Oro. c) Aluminio. d) Platino. e) Cobre. f) Plata. Observando tu entorno y completando la información que ne cesites en libros o en Internet, indica objetos de uso cotidiano fabricados en todo o en parte con estos metales y describe las propiedades que los hacen idóneos para estos usos.
48. Los metales alcalinos no se pueden utilizar, como ocurre con otros metales, en la fabricación de estructuras ni como conductores eléctricos. Redacta un breve párrafo explicando por qué estos metales en concreto no son adecuados para ta les aplicaciones tecnológicas.
b) ¿Cuántas moléculas de CO2 se habrían dejado de emitir a la atmósfera si hubiesen hecho el trayecto en bicicleta? ¿Te pare ce importante este gesto? Arguméntalo.
Es un oligoelemento esencial para que la glándula tiroides fabrique la hormona del crecimiento.
a) Halla el número de moles de este gas expulsadas a la at mósfera, contribuyendo de este modo a incrementar el efecto invernadero.
50. La clorofila es una macromolécula imprescindible para la fotosíntesis. Vas a realizar una «ficha química» sobre la clorofi la. Para ello, debes encontrar cuál es su fórmula, interpretarla y calcular la masa molecular y la masa molar que le corres ponden.
Partiendo de su fórmula, que debes investigar: a) Calcula la masa molecular de la sacarosa.
e 100 UNIDAD 4
47. Los metales, ya sea en estado puro o formando aleaciones, tienen muy diversas aplicaciones en función de sus propieda des. Los siguientes son metales muy utilizados en la vida coti diana:
Pondremos en práctica una técnica de identificación de elementos químicos basada en el color de la luz que emiten al ser calentados en una llama.
➜ ¡No toques el alambre!, puedes quemarte.
¿Cómo lo llevamos a cabo?
Debes repetir este procedimiento siempre que cambies de sustancia, pues ha de quedar limpio antes de tomar una nueva muestra.
Elemento responsable de la coloración
Completa una tabla en la que aparezcan todos los reactivos utilizando el siguiente modelo. En cada caso debes identificar el metal que produce la coloración de la lla ma. Para ello te puede ser útil examinar la fórmula de cada uno de los compuestos.
101Elementos y compuestos. La tabla periódica
Analiza los resultados
Redacta un informe científico, en el que expliques el objetivo de la experiencia, el procedimiento que has seguido y las conclusiones a las que has llegado para cada una de las sustancias estudiadas.
➜ Estás trabajando con gas. ¡No de jes los mecheros abiertos!
➜ Presta atención a las indicaciones de tu profesor o profesora.
¿Qué pretendemos?
➜ Disolución de cloruro de hidróge no diluida.
2 Añade, utilizando un cuentagotas, un poco de agua destilada a cada tubo (aproxi madamente entre 5 y 10 gotas) y agita para que se disuelva la mayor cantidad posi ble del compuesto depositado en su interior.
Elabora un informe
Tenlo muy en cuenta
Reactivo Númerodetubo Coloracióndelallama
Reconocimiento de elementos químicos
¿Qué necesitamos?
➜ Alambre de níquel o de acero.
➜ Pinzas.
➜ Reactivos: sulfato de cobre(II), bicarbonato de sodio, cloruro de calcio, cloruro de potasio, yoduro de potasio.
➜ Gradilla y tubos de ensayo.
Repite el procedimiento para el resto de los reactivos.
➜ No te acerques a la llama y usa gafas de seguridad.
➜ Espátula y cuentagotas.
Deberás actuar meticulosamente. Cuando prepares los tubos presta mucha aten ción a su identificación, rotulándolos si es necesario, anotando el nombre del com puesto depositado en su interior, y el color resultante en la llama.
➜ Frasco lavador con agua.
1 Prepara cinco tubos de ensayo y coloca en cada uno de ellos, con ayuda de la es pátula, una pequeña porción de los compuestos químicos que utilizaremos como reactivos.
4 Si el alambre no es muy largo, sujétalo con unas pinzas para no quemarte. Impreg na la punta con el contenido del primer tubo y sitúala directamente sobre la base de la llama para observar la emisión de color correspondiente.
3 Prepara el alambre para la experiencia (puedes doblar la punta hacia dentro para tomar mejor la muestra). Sumérgelo en la disolución de cloruro de hidrógeno para su limpieza y enjuágalo con agua.
➜ Mechero de gas.
➚ La aspirina es uno de los analgésicos de mayor consumo.
En la farmacia encontramos gran variedad de medicamentos para el tratamiento de dolencias y enfermedades. Algunos de los fármacos más demandados son los analgésicos, que se emplean para la dismi nución del dolor. Algunos de estos, además, presentan propiedades antipiréticas (permiten bajar la fiebre) y antinflamatorias.
Entre los analgésicos más conocidos se encuentra la aspirina, en sus distintas presentaciones. El principio activo de este medicamento es un compuesto que puede obtenerse a partir de la salicina, sustancia que se extrae de la corteza del sauce blanco.
Un comprimido de aspirina suele contener 500 mg de principio activo. Teniendo en cuenta los datos que has recopilado y los cálculos que has realizado, ¿cuántos moles de este compuesto ingerimos al tomar la pastilla? ¿Cuántas moléculas del principio activo contiene?
Ahora que ya sabes de qué compuesto se trata, ¿qué elementos químicos lo forman? ¿Son metales o no metales? Usa la tabla periódica para ver a qué grupos y períodos pertenecen y escribe la configuración electrónica de cada uno de ellos.
El desarrollo y la elaboración de fármacos es imprescindible para cuidar de nuestra salud. Algunos de estos fármacos están patentados y alcanzan un alto precio comercial. ¿Qué opinión te merece? Debátelo con tus compañeros y compañeras de clase.
En la composición de cualquier medicamento, además de los principios activos, responsables de su acción terapéutica, encontramos otros componentes, que reciben el nombre general de excipientes. ¿Por qué se usan estos excipientes? Explica tu respuesta a partir de algunos ejemplos, que puedes encontrar en libros o en Internet.
¿Cuál es el principio activo de la aspirina? Investiga en libros o en Internet de qué compuesto se trata y busca su fórmula.
102 UNIDAD 4
Consulta la tabla periódica para recopilar los datos que necesites y calcula la masa molecular del principio activo de la aspirina. ¿Cuál sería su masa molar? Interpreta el significado de ambas magnitudes.
3 El criterio para ordenar los elementos en la tabla periódica actual es:
Elementos y compuestos. La tabla periódica
Pieza de metal oxidada.
a Son los elementos del grupo 17.
b 8 moles.
b Pueden dar lugar a sustancias diferentes.
1 ¿Qué afirmación no es correcta sobre los elementos químicos?a
b 1025 moléculas de agua.
Deposita sobre el papel de aluminio uno de los aros de cobre, presio nando ligeramente para favorecer el contacto. Realiza la misma opera ción en otro recipiente, pero sin agua, y espera uno o dos días.
b Contiene más de un 40 % en masa de oxígeno.
b 5 moles de sustancia equivalen a 270 g.
c Un mol del mismo tiene una masa de 164 g.
a Su masa molecular es también 54 g/mol.
5 La familia de los metales alcalinos (grupo 1) se caracteriza por:
7 ¿Qué afirmación de las siguientes es correcta para un compuesto de fórmula Na3PO4?
a Ser químicamente inertes.
e
a Orden creciente de su masa atómica.
INVESTIGA 103
a 7 moles.
c Se combinan con los no metales.
10 Una botella de 1 L de agua, cuya densidad es de 1 g/cm3, ¿qué contiene?
6 ¿Cuál de estas afirmaciones no puede aplicarse a los gases nobles?
9 Dada una sustancia cuya masa molar es 54 g/mol, podemos decir que:
b Aumenta el carácter metálico de los elementos.
a Menos de 50 moles de agua.
Coge los papeles de aluminio y mira hacia una luz a través de ellos. ¿Qué observas? ¿Qué explicación se te ocurre? Recopila la informa ción en un breve informe, describiendo la observación realizada, la hipótesis propuesta, el experimento o experimentos que se pueden diseñar para comprobar la validez de la hipótesis y las conclusiones obtenidas.
c Sin la fórmula, no sabemos su masa molecular.
b Químicamente son inertes.
a Su masa molar es 164 u.
b Ser metales blandos y muy reactivos.
c Orden creciente de su tamaño atómico.
8 De acuerdo con la definición del mol 4,8184 · 1024 partículas equivalen a:
b Poseen un brillo característico.
b Orden creciente de su número atómico.
c Disminuye el tamaño atómico.
2 ¿Cuál de las siguientes propiedades no corresponde a los metales?
c Dos de ellos son el kriptón y el radón.
Una de las características de la mayoría de los metales es la facilidad con la que sufren corrosión. Extrae de un cable que no sirva dos trozos de cobre y enróllalos formando dos aros. Pon un pequeño pedazo de papel de aluminio (con la cara menos brillante hacia arriba) en un reci piente de plástico con agua a la que habrás añadido una pizca de sal.
Están formados por átomos de un mismo tipo.
c Se conocen poco más de cien elementos.
a Son aislantes eléctricos.
c Formar aniones con carga –1.
c 9 moles.
a Las propiedades de los elementos no varían.
c Ninguna de estas afirmaciones es correcta.
4 En un período de la tabla periódica, al desplazarnos de izquierda a derecha:
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