Estructura atómica by Judaniel De la cruz Villanueva

ESTRUCTURA ATÓMICA Teoría y práctica 3

Ju. Daniel De la cruz Villanueva

QUÍMICA PREUNIVERSITARIA 2014

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO

PREINGENIERIA Introducción

El átomo es la mínima porción que identifica al elemento químico, por tanto no es la última parte en la cual puede dividirse la materia, por el contrario esta se sigue dividiendo, esta alcanza hasta la denominados Quarks. En el siglo V antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito postuló, sin evidencia científica, más si de un producto de una serie de elucubraciones, que el Universo estaba compuesto por partículas muy pequeñas e “indivisibles”, y que en griego se dice "átomos", esto es pues en la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeña que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él. Sin embargo, los avances científicos de este siglo han demostrado que la estructura atómica integra a partículas más pequeñas, la cuales se dividen en familias de hadrones (pesados) y leptones (livianos).

Estructura Atómica El átomo es la parte más pequeña en la que se puede obtener materia de forma estable, ya que las partículas subatómicas que lo componen no pueden existir aisladamente salvo en condiciones muy especiales. Así si bien es cierto que los protones y electrones son estables fuera del núcleo, los neutrones no lo son, pues fuera del núcleo son muy inestables. Los científicos y el átomo Ernest Rutherford, científico nacido en Nueva Zelandia, demostró en 1911 la existencia del núcleo atómico, complementando el conocimiento del electrón, descubierto en 1897 por J.J. Thompson. Desde entonces, múltiples experiencias han demostrado que el núcleo está compuesto por partículas más pequeñas, los protones y neutrones. Sin embargo en 1963, Murray Gell – Mann postuló que protones y neutrones están compuestos por partículas aún más pequeñas, a las que llamó "quarks".

MCQ - 1

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PREINGENIERIA

Por tanto la teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleones fundamentales, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa. A estos tres tipos de partículas fundamentales debemos agregar más de 300 tipos diferentes de partículas subatómicas. Así podemos observar la relación que se manifiesta respecto de las partículas elementales, la cuales como sabemos son los Quarks y los electrones en la materia.

La materia en si, a nivel atómico presenta partículas subatómicas que se dividen en dos grupos de familias, así los hadrones (de masa pesada) se dividen en dos grupos lo Baryones (muy pesados) y los Mesones (de masa moderada), de acuerdo al cuadro:

Ahora nuestra pregunta se centraría en saber y las partículas fundamentales del núcleo, de que están constituidas, pues las respuestas con su pregunta, se tendría así:

MCQ - 2

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PREINGENIERIA

Finalmente el otro grupo son los Leptones (ligeros de masa), los cuales podemos observarlos y conceptuarlos de acuerdo a:

El átomo y las partículas subatómicas fundamentales El átomo está formado por un núcleo, compuesto a su vez por protones y neutrones, y por una corteza que lo rodea en la cual se encuentran los electrones, en igual número que los protones.

MCQ - 3

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PREINGENIERIA

El átomo en la actualidad se concibe como un modelo matemático cuyo sistema es dinámico y en equilibrio eléctrico, por lo que se cumple que: #p+ = #e– Átomo actual

Partículas subatómicas fundamentales Nucleones fundamentales: El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases: •

•

Protón (p+, p), descubierto por Ernest Rutherford a principios del siglo XX, el protón es una partícula elemental que constituye parte del núcleo de cualquier átomo. El número de protones en el núcleo atómico, denominado número atómico (Z), es el que determina las propiedades químicas del átomo en cuestión. Los protones poseen carga eléctrica positiva y una masa 1 836 veces mayor de la de los electrones, así se observa: Carga (q) = +1,6x10–19C y Masa (m) = 1,67262x10–27kg Neutrón (no, n), partícula elemental que constituye parte del núcleo de los átomos. Fueron descubiertos en 1930 por dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker. La masa del neutrón es ligeramente superior a la del protón, pero el número de neutrones en el núcleo no determina las propiedades químicas del átomo, aunque sí su estabilidad frente a posibles procesos nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad). Los neutrones carecen de carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo pues su vida media promedio es de 14,8minutos fuera del núcleo atómico, desintegrándose para dar un protón, un electrón y un antineutrino. Se observa: Carga (q) = 0,0C y Masa (m) = 1,67493x10–27kg

Extranucleón fundamental: •

Electrón (e–, e), partícula elemental y fundamental que constituye parte de cualquier átomo, descubierto en 1897 por J. J. Thomson. Es la única partícula situada en la zona extranuclear.

MCQ - 4

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Los electrones de un átomo giran en torno a su núcleo, formando la denominada corteza electrónica. La masa del electrón es 1836 veces menor que la del protón y tiene carga opuesta, es decir, negativa. En condiciones normales un átomo tiene el mismo número de protones que electrones, lo que convierte a los átomos en entidades eléctricamente neutras. Si un átomo capta o pierde electrones, se convierte en un ion. Carga (q) = –1,6x10–19C y Masa (m) = 9,10938x10–31kg El concepto de que los electrones se encuentran en órbitas satelitales alrededor del núcleo se ha abandonado en favor de la concepción de una nube de electrones deslocalizados o difusos en el espacio, el cual representa mejor el comportamiento de los electrones descrito por la mecánica cuántica únicamente como funciones de densidad de probabilidad de encontrar un electrón en una región finita de espacio alrededor del núcleo. Dimensiones atómicas La mayor parte de la masa de un átomo se concentra en el núcleo, formado por los protones y los neutrones, ambos conocidos como nucleones, los cuales son 1836 y 1837 veces más pesados que el electrón respectivamente. El tamaño o volumen exacto de un átomo es difícil de calcular, ya que las nubes de electrones no cuentan con bordes definidos, pero puede estimarse razonablemente en 1,0586×10–10m. Si esto se compara con el tamaño de un protón, que es la única partícula que compone el núcleo del hidrógeno, que es aproximadamente 1×10–15 se ve que el núcleo de un átomo es cerca de 100 000 veces menor que el átomo mismo, y sin embargo, concentra prácticamente el 100% de su masa. Para efectos de comparación, si un átomo tuviese el tamaño de un estadio, el núcleo sería del tamaño de una canica colocada en el centro, y los electrones, como partículas de polvo agitadas por el viento alrededor de los asientos. Sobre las partículas fundamentales. Como sabemos el átomo esta formado de partículas de muchos tipos: Protón (p, p, P)

Partículas estables Electrón (e, e, B)

Electrón positivo o positrón (e, e, B)

Partículas inestables Neutrino y Antineutrino (V)

MCQ - 5

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Deuterón (d, d, H, D)

Partículas compuestas Partículas Alfa (a, He)

Sobre las partículas inestables. POSITRON. Fue en 1932 cuando Anderson descubrió accidentalmente el positrón al estudiar los campos magnéticos sobre las partículas expulsadas de los núcleos por la absorción de rayos cósmicos. Son partículas iguales que los electrones, pero en sentido opuesto. Electrón (-) Núcleo Positrón (+)

NEUTRINO Y ANTINEUTRINO. Partículas pequeñísimas de masa y carga cero, su existencia fue postulada para explicar la pérdida de energía durante la emisión radioactiva de electrones y protones. No existen pruebas concretas de su existencia. MESÓN. Yukawa postuló su existencia para explicar las energías de enlace descubiertas en los efectos producidos por los rayos cósmicos sobre la materia. Sobre las partículas compuestas. DEUTERÓN. Es un núcleo de Deuterio o Hidrógeno pesado, y guarda la misma relación que el Hidrógeno y el protón. Se usa en bombardeo de núcleo. PARTICULAS ALFA. Es un núcleo de Helio de 2 cargas positivas. Es el producto de la desintegración radioactiva. UNIDADES ATOMICAS El átomo se representa con la letra “X” (o E), así se tiene: A Simbología: Z Z = Nº Atómico (relacionado con la propiedad química) A = Nº de Masa (relacionado con la propiedad física)

Z = Número Atómico: (identifica al elemento químico en la tabla periódica actual) Indica la cantidad de Protones en el Núcleo y la cantidad de electrones (siempre que el átomo se encuentre en equilibrio eléctrico, es decir sea un átomo neutro). Z = # P+ = carga nuclear (C.N) Z = # e-

MCQ - 6

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A = Número de Masa: Se expresa en U.M.A (Unidad de Masa Atómica) e indica: A= Z+n

A=P+n

n = # de neutrones

Z=A-n

P = # de protones

P=A-n

e = # de electrones

n=A–Z

Átomos especiales: a)

Isótopos: o Hílidos, Átomos semejantes, con similares propiedades químicas, y que además son constituyentes del elemento químico, tienen igual cantidad de protones o Nº Atómico Ejemplo 1: isótopos del hidrógeno

Ejemplo 2: isótopos del carbono

Uso de los isótopos. Una de las aplicaciones de los isótopos es la fotografía de rayos gamma, al paciente se le inyecta un isótopo que emita radiación gamma y se recoge la radiación emitida de forma que se obtiene una foto de la zona deseada, como por ejemplo el cerebro que se observa en la fotografía.

MCQ - 7

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Otra de las aplicaciones de este índice de fraccionamiento lo constituye la estimación de las relaciones entre plantas con clorofila C3 y C4, cuyo estudio ofrece toda una panacea al campo de la investigación científica como por ejemplo la estimación de presencia de índices de fraccionamiento de plantas C4 (sabanas) en suelos boscosos y viceversa. Descubrimiento de los isótopos Los estudios sobre la diferenciación de la estructura de los núcleos atómicos comenzaron junto con el siglo XX. Los experimentos realizados indicaban que las sustancias radiactivas químicamente inseparables podrían diferenciarse sólo en su núcleo. En 1912, Sir Joseph Thomson, físico británico, demostró que algunos isótopos son estables. Su experiencia consistió en pasar neón (Ne) a través de un tubo luminoso y desviando los iones de neón mediante campos eléctricos y magnéticos; esto demostró que el neón existe en más de una forma. Fue así como Thomson encontró dos isótopos del neón: Ne-20 y Ne-22. Otros experimentos demostraron que el neón existente en la naturaleza contiene: -

90% de neón-20

0,27% de neón-21

73% de neón-22

Francis William Aston, físico británico, continuó con el estudio de isótopos. Un instrumento llamado “espectrómetro de masas” ayudó a detectar y estudiar los isótopos mayormente. Este instrumento, desarrollado en 1919 por Aston, usaba un haz de iones con carga positiva (+), que se desviaba en primer lugar mediante un campo eléctrico y que a continuación se desviaba en la dirección opuesta con un campo magnético. La cantidad de partículas resultantes de la deflexión o frenado se registraba en una placa fotográfica, y dependía de su masa y velocidad. Cuanto mayor era la masa del ión, menor era su deflexión. Aston midió las masas moleculares de los isótopos de muchos elementos, y comprobó la abundancia relativa de ellos en la naturaleza. La mayoría de los elementos en estado natural consisten en una mezcla de dos o más isótopos. Algunas excepciones son el berilio (Be), aluminio (Al), fósforo (P) y sodio (Na) También hoy en día se desarrollan isótopos radiactivos artificiales o “radioisótopos”. Fueron producidos en 1933 por los franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie. Los radioisótopos se obtienen bombardeando átomos existentes en la naturaleza con partículas nucleares como neutrones, electrones, protones y partículas alfa, utilizando aceleradores de partículas.

Isobaros: Átomos de diferentes elemento químicos que tienen igual Nº de Masa pero distinto “Z”, tienen semejantes propiedades físicas. Ejemplo:

MCQ - 8

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO 40 18

40 19

A = 40

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A = 40

Isótonos: Átomos de diferentes elementos, que tienen igual Nº de Neutrones, pero de propiedades diferentes. Ejemplo: 12 6

11 5

n=6

Isoelectrónicos: especies que se caracterizan por tener igual cantidad y configuración electrónica de sus electrones. Ejemplo:

O 2−

3+ Al 13

e = 10

Isodiáferos: especies que se caracterizan por tener igual cantidad de exceso neutrónico (ENo), esta se calcula así: ENo = #no - #p+. Ejemplo: 23 11Na

31 15P

(Na – 23)

(P – 31)

#p+ = 11

#p+ = 15

#no = 23 – 11 = 12

#no = 31 – 15 = 16

ENo = 12 – 11 = 1

ENo = 16 – 15 = 1

Se observa que ambos presentan la misma cantidad de exceso neutrónico (ENo) por lo que se dice que el Na – 23 y el P – 31 son isodiáferos

El Átomo Neutro (o de Broeck) Tiene carga eléctrica cero (q = 0) debido a que es un sistema en equilibrio eléctrico en el cual se cumple: #p+ = #e– = Z MCQ - 9

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Ejemplo:

p = 17 35 0 17 Cl e = 17 n = 18 

p = 11 23 0 11 Na e = 11 n = 12  El Átomo eléctrico (Ión)

Son especies químicas que presentan carga eléctrica positiva y negativa: X+ : Catión → pierde e X- : Anión → gana e Por lo que: # e– = Z – (±q) Donde: q = carga eléctrica Ejemplo:

p = 16 32 2 −  e = 18 16 S n = 16 

p = 26 56 3−  e = 23 26 Fe n = 30 

En compuestos: a)

NH4+ (7N, 1H) e = (7 + 4) – 1 = 10 e

SO 42− (16S, 8O) e = (16 + 32) + 2 = 50 e

Otros iones, con su nombre tenemos:

MCQ - 10

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Preguntas resueltas 1.

De acuerdo al modelo atómico actual, indicar cuál no corresponde: A) Concentra su masa en una región muy pequeña denominada núcleo. B) Las partículas fundamentales tienen las mismas propiedades para todos los átomos. C) Los nucleones son solo protones y nucleones. D) Un átomo neutro posee igual número de protones y electrones. E) La zona extranuclear está compuesta por electrones.

RESOLUCIÓN Los nucleones están formados por diferentes tipos de partículas entre ellas los protones y neutrones que son los nucleones fundamentales… CLAVE: C 2.

Completar el siguiente cuadro: Especie Z

29 35

Cu−1

U+3

236

126

144

RESOLUCIÓN Especie Z +2 29 29 Cu

A 63

#e 27

#p 29

Cu−1 236 +3 U

35 236 126

18 89 51

17 144 51

Sb 3.

17 144 51

45 Para la siguiente especie 21 Sc +3 señale lo incorrecto: A) Es un catión trivalente. B) En su núcleo hay 21 protones y 24 neutrones. C) Contiene 66 partículas fundamentales. D) Contiene 18 electrones. E) Su carga nuclear es 21.

RESOLUCIÓN A) Correcto B) p+ = 21 n0 = 45 − 21 = 24 C) Correcto p+ + n0 + e− = 21+24+21 = 66 D) Incorrecto e = p+ = 21 E) Correcto ...CLAVE: D

MCQ - 11

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Dos elementos A y B tienen igual número de neutrones, siendo la suma de sus números atómicos 80 y la diferencia de sus números de masa es 6. ¿Cuántos electrones tiene el ión B−2? RESOLUCIÓN A1 Z1

A2 Z2

nº

Z1 A1

+ −

Z2 A2

= 80 = 6

Z1 + A1 + Z2 − A2

= 86

nº (A) = nº (B) A1 − Z1 = A2 − Z2 Z1 + A1 − (A2 − Z2) = 86 Z1 + A1 − A1 + Z1 = 86 2Z1 = 86 = 43 Z1 Z2 = 37 Luego:

−

B2− → e = 39 ... RESPUESTA

Un átomo neutro el número de masa es 108 y el número de neutrones es 14 unidades mas que el número de electrones. Hallar la carga nuclear. RESOLUCIÓN A = 108 = p+ + nº n = 14 + e− = 14 + p+ p+ + nº = 108 p+ + 14 + p+ = 108 2p+ = 94 p+ = 47... RESPUESTA

Un átomo presenta 120 partículas subatómicas. Cuando se convierte en ión posee número de masa 75 y presenta 43 electrones. Señale el número atómico y la carga del ión. RESOLUCIÓN x: p+ + nº + e− = 120 y − x : p + nº + e1 = 75 + 43 = 118 − 2+ Perdió 2e → x Z = 45 ... RESPUESTA

MCQ - 12

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El ión X+2 presenta 20 electrones, además el ión Y−3 es isoelectrónico con el ión X−1. Determine el número de electrones del ión Y+1. RESOLUCIÓN 7.

X2 +

e− = 20 p+ = 22 20Y

−3

iso e−

#e− = 23 +1 20Y

→

22X

−1

#e− = 23 #e− = 19 … RESPUESTA

La suma del número de masa y el número atómico de un elemento es 160 y su número de neutrones excede al de protones en 4. Calcular el número atómico. RESOLUCIÓN A Z

A + Z = 160 p+ + nº + p+ = 160 nº = p+ + 4 p+ + p+ + 4 + p+ = 160 3p+ = 156 p+ = 52 = Z … RESPUESTA

¿Cuántos electrones ha ganado un anión que tiene igual número de electrones que el catión trivalente de Al (Z = 13), si al inicio el átomo tenía 3 electrones menos que el anión monovalente del F (Z = 9)? RESOLUCIÓN 7

X −n

#e− = 10

#e− = 7

igual e−

Al3+

#e− = 10

−1

#e− = 10

Ha ganado 3e− … RESPUESTA Un anión trivalente posee una carga de −2,88 x 10−18 C en la zona extranuclear. Si su número de masa es 37, determine el número de partículas subatómicas fundamentales que presenta el anión. RESOLUCIÓN

10.

# e− =

−2,88 x 10−18 = 18 1,6 x 10−19

MCQ - 13

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# = #p+ = 15 A = 37 # partículas = 37 + 18 = 55 … RESPUESTA

11.

Acerca de los isótopos, indique verdadero o falso según corresponda. I. No todos los elementos tienen isótopos naturales. II. Presentan propiedades físicas similares. III. Se pueden generar isótopos artificialmente. IV. Sus átomos neutros tienen igual número de protones y electrones. RESOLUCIÓN I. (V) No todos los elementos tienen isótopos naturales, pues los elementos como el tecnecio tiene isótopos artificiales. II. (F) Presentan propiedades químicas similares. III. (V) Se pueden generar isótopos artificialmente. IV. (V) Sus átomos neutros tienen igual número de protones y electrones. 12.

Con respecto a los isótopos y algunos de sus compuestos, indique cuál es la alternativa incorrecta. A) Presentan la misma carga nuclear. B) No pueden ser de diferentes elementos. C) El D2O y H2O poseen densidades diferentes. D) El Cl−35 y el Cl−37 poseen propiedades químicas iguales. E) Los isótopos artificiales son estables. RESOLUCIÓN Los isótopos artificiales son inestables. … CLAVE: E 13.

El número de masa de un átomo excede en 1 al doble de su número atómico. Determine el número de electrones, si posee 48 neutrones y su carga es –2. RESOLUCIÓN A Z

X 2−

n = 48 Donde: A = n + Z ..................... (1) A = 2Z + 1 ................... (2) Luego: Reemplazando (2) en (1): 2Z + 1 = 48 + Z Z = 47 e = 47+2 e = 49 14.

RESPUESTA

Cierto átomo tiene 40 neutrones y su número de masa es el triple de su número de protones. Determinar el número atómico. MCQ - 14

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO

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RESOLUCIÓN n = 40 ......................... (1) A = 3p ......................... (2) Luego: (2) en (1): A = P+ n 3p = p + 40 2p = 40 p = 40/2 = 20 ... RESPUESTA 15.

Si la suma del número de masa de 3 isótopos es 39 y el promedio aritmético de su número de neutrones es 7, luego se puede afirman que los isótopos pertenecen al elemento. RESOLUCIÓN Isótopos: Igual protones A1 p

X n1

A2 p

A3 p

Luego A1 + A2 +A3 = 39..........(1)

n1 + n 2 + n 3 =7 3

n1 + n2 + n3 = 21..........(2) Luego restamos (2) – (1) A1 + A2 + A3 = 39 n1 + n2 + n3 = 21 P + p + p = 18 P = 6 ⇒ 6C

RESPUESTA

Preguntas tomadas en la Universidad de Ingeniería 1. El átomo de Cu neutro contiene 29 protones y 29 electrones. Cuando este átomo pasa a formar el Cu++, ¿qué ha variado? (Ex – UNI 1983 II) A) Aumenta sus protones a 31. B) Se queda con 29 electrones y 27 protones. C) Los protones se quedan iguales pero pierde dos electrones. D) Los protones se quedan en 29 pero gana dos electrones. E) El cambio no está relacionado ni con electrones ni con los neutrones.

MCQ - 15

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO

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2. El cloro natural tiene número atómico 17 y masa atómica 35,5; ¿Cuántos protones tiene en su núcleo? (Ex – UNI 1984 I) A) 7 B) 17 C) 18,5 D) 23 E) 35,5 3. Se tiene dos átomos X e Y con el mismo número de protones; pero con la diferencia de que el átomo X tiene dos neutrones más que el átomo Y; Dada la diferencia podemos afirmar que: (Ex – UNI 1985 II) A) X e Y pertenecen a elementos diferentes. B) Ambos tienen el mismo número atómico. C) El número de masa de Y es mayor que el de X. D) Ambos tienen el mismo peso atómico. E) El número de masa de X es el mismo que el de Y. 4. De las siguientes especies todas son isoelectrónicas menos una. Indique cuál es: O2-, F1-, Ne, Na, Mg2+ Datos: O F Ne Na Mg Z 8 9 10 11 12 (Ex – UNI 1995 II) A) O2B) F1C) Ne D) Mg2+ E) Na 5. En relación a las partículas subatómicas, determine las proposiciones verdaderas (V) o falsas (F) y marque la alternativa que corresponda: I. Los protones y neutrones están presentes en el núcleo atómico. II. Los protones, neutrones y electrones tienen la misma masa. III. Un haz de neutrones es desviado por un campo eléctrico. (Ex – UNI 2003 II) A) VVV B) VVF C) VFF D) FVF E) FFF 6. Para poder determinar la identidad de un elemento, se cuenta con la siguientes información: I. Número de masa. II. Número atómico Se puede decir que: (Ex – UNI 2010 II) A) la información I es suficiente. B) la información II es suficiente. C) es necesario utilizar ambas informaciones. D) cada una de las informaciones, por separado, es suficiente. E) las informaciones dadas son insuficientes.

MCQ - 16

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO

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Preguntas propuestas 01. Indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El átomo está constituido por una parte central llamada núcleo y a su alrededor se encuentra la nube electrónica. II. En el modelo actual se puede conocer la posición del electrón y su momento simultáneamente. III. En el modelo actual se introduce el concepto de orbital. A) VVV B) VFV C) FVV D) FFV E) VVF 02. En relación al átomo señale las proposiciones correctas: I. La masa del átomo se encuentra concentrada en el núcleo. II. El átomo es eléctricamente neutro, pues posee igual número de protones que de neutrones. III. La masa de un protón de un átomo de hidrógeno es menor que la de un protón del núcleo de un átomo de oxígeno. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) I y II E) I, II y III 03. ¿Cuáles de las siguientes proposiciones son correctas? I. El átomo es eléctricamente neutro. II. En el núcleo del átomo se encuentran los protones y neutrones, como partículas fundamentales. III. Para todos los núclidos de los elementos químicos el número de masa (A) es mayor que el número atómico (Z). A) I y II B) I y III C) II y III D) I, II y III E) Solo III 04. Considerando la masa del electrón como me− , la del protón como mp+ , y la del neutrón como

mnº , además de las cargas correspondientes, diga qué proposiciones son correctas: I.

mnº = mp+ + me−

II. mnº ≃ mp+ >> me− III.

mnº mp+

= me −

IV. Carga del electrón = −1,6 × 10−19 C , entonces la carga del protón es 1,6 × 10−19 C A) Solo I B) Solo II C) II y IV D) I y II E) I y IV 05. Califique como verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. En el átomo se han descubierto muchas partículas, la mayoría son inestables y de vida muy corta. II. En el átomo son tres las partículas fundamentales que definen las propiedades de la materia. III. La masa del electrón es mayor que la masa del protón y poseen igual carga eléctrica.

MCQ - 17

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO A) FFV D) VFV

B) FVV E) VVF

PREINGENIERIA C) VVV

06. Respecto a las partículas subatómicas señale las proposiciones verdaderas (V) y falsas (F): I. Las partículas que poseen carga eléctrica son el protón y el electrón. II. El neutrón es la partícula subatómica de mayor masa en el átomo. III. Con excepción del hidrógeno, el número de neutrones es igual o mayor que el número de protones en un núcleo atómico. A) VVV B) FVV C) VVF D) FVF E) FFF 07. Indique con verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. En un átomo eléctricamente neutro hay tanto electrones fuera del núcleo como protones dentro del núcleo. II. La partícula de mayor masa en el átomo es el neutrón. III. Las partículas subatómicas son el electrón, protón y neutrón. A) VVV B) VFV C) FVF D) FFV E) VFF 08. Indique con verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. El número de protones dentro del núcleo se llama número atómico. II. Si un átomo gana electrones se convierte en un ión positivo. III. En el átomo se cumple que: A = # p+ = # nº A) VVV B) VFF C) VVF D) FVV E) FFV 09. Califique como verdadera (V) o falsa (F) a las siguientes proposiciones: I. El átomo está formado por un núcleo y la nube electrónica. II. El número de masa A es igual a la suma del número atómico más el número de neutrones. III. El núcleo del átomo contiene a los neutrones y electrones. A) VVV B) VVF C) VFF D) FFF E) VVF 10. En febrero de 1996 se sintetizó el elemento 112 de la tabla periódica, el cual se puede 277

representar como 112 E , por lo tanto se puede afirmar que: I. II. III. A) D)

El nuevo elemento tiene 112 neutrones. El número de cargas positivas nucleares del elemento es 112. Su número de masa es 277. Solo I B) Solo II C) Solo III I y II E) II y III

11. Respecto a los núclidos del cloro y calcio, I. II. III. A) D)

39 19 K

40 20 Ca ,

El número de protones del Ca es 20. El K+ y Ca2+ tienen igual número de electrones. El K y Ca tienen igual número de masa. I y II B) II y III C) I y III Solo II E) Solo III

MCQ - 18

indique las alternativas correctas:

QUÍMICA – NIVEL INTERMEDIO

PREINGENIERIA

12. Marque las proposiciones verdaderas: I. Los nucleones son partículas nucleares constituidas por protones y electrones. II. Los diferentes núclidos de un elemento se denominan isótopos. III. La notación de un núclido es protones. A) FFF D) VFV

B) FFV E) VVV

A ZE,

donde A es el número de masa y Z es el número de

C) FVV

13. Indique con verdadero (V) o falso (F) a las proposiciones siguientes: I. Los isótopos de un elemento tienen esencialmente las mismas propiedades químicas. II. Los isótopos son átomos de un mismo elemento que se diferencian únicamente en el número de electrones. 3

III. La notación de un núclido de hidrógeno es 1 H . A) VVV D) VFV

B) VVF E) FFV

C) FVV

14. El cobre tiene dos isótopos, uno con 34 neutrones y el otro con 36 neutrones. Si el cobre posee 29 protones en su núcleo, señale las proposiciones verdaderas (V) y falsas (F): I. El número de masa del isótopo más liviano es 63. II. Los dos isótopos tienen propiedades químicas similares. III. Los dos isótopos se pueden representar como A) VVV D) FVV

B) VFV E) FFF

63 29 Cu

65 29 Cu

respectivamente.

C) FVF

15. Indique la proposición verdadera (V) o falsa (F) según corresponda: I. En el núclido

56 26 Fe

el número de nucleones es 26.

II. Los isótopos del cloro son

35 17 Cℓ

37 17 Cℓ ,

es decir el isótopo más pesado tiene 2 neutrones

más que el ligero. III. El catión A) VVV D) VVF

63 2+ 29 Cu tienen 34 neutrones

B) FVV E) VFF

en su núcleo.

C) VFV

16. Indique con verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. Un modelo es la representación abstracta de un sistema de la vida real. II. Un modelo es lo mismo que una teoría. III. Actualmente se ha construido un modelo para el átomo. A) VVV B) FVV C) VFV D) FFV E) VVF 17. Respecto a las partículas subatómicas del átomo, indique la alternativa que contiene la relación correcta: a) Átomo b) Núcleo c) Nube electrónica

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i) Hay partículas de carga negativa (e–) ii) El número de electrones es igual al número de protones. iii) Hay protones y neutrones. A) aiii, bii, ci C) aii, biii, ci E) ai, bii, ciii

B) ai, biii, cii D) aii, bi, ciii

18. ¿Qué proposiciones son correctas acerca del átomo y sus partes? I. El diámetro del núcleo atómico es aproximadamente 10000 veces más pequeño que el diámetro del átomo. II. El núcleo atómico posee elevada densidad. III. En un átomo neutro, el número de protones es igual al número de neutrones. A) Solo I B) Solo II C) Solo III D) I y II E) II y III 19. Se denominan partículas subatómicas fundamentales: A) Electrones, positrones y protones B) Protones, neutrones y positrones C) Protones, neutrones y deuterones D) Neutrones, protones y electrones E) Partículas α, partículas β y rayos γ 20. Respecto a las partículas subatómicas principales: protón, electrón, neutrón, indique verdadero (V) o falso (F) según corresponda: I. Las partículas más livianas se encuentran alrededor del núcleo. II. Las partículas más pesadas se encuentran en el núcleo del átomo. III. La masa del protón es mayor que la masa del neutrón. IV. Todas las partículas que se encuentran en el núcleo presentan carga positiva. A) VVVV B) VFVF C) FVFV D) VVFF E) VVFV 21. Con respecto a las partículas subatómicas fundamentales señale lo incorrecto: A) El neutrón, es la partícula de mayor masa y no tiene carga eléctrica. B) El protón, es la partícula positiva y su masa es ligeramente menor que la masa del neutrón. C) El electrón, es la partícula negativa, cuya masa es aproximadamente 1836 veces menor que la masa del protón. D) El protón y el neutrón constituyen los nucleones fundamentales. 4− E) En el ion 14 hay 20 partículas subatómicas fundamentales. 6 C 22. Los isótopos del hidrógeno se diferencian en: A) Masa atómica promedio B) Carga nuclear C) Electrones D) Neutrones E) Protones

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23. Marque el enunciado falso con respecto a los isótopos A) Poseen el mismo número de protones. B) Poseen diferente número de neutrones. C) Poseen diferente número de masa. D) Poseen diferentes propiedades químicas. E) Poseen diferentes propiedades físicas. 24. Con respecto al siguiente núclido, marque lo incorrecto: 269 110

A) B) C) D) E)

Posee 269 nucleones fundamentales. Posee 110 protones. Posee 110 electrones. Posee 159 neutrones. Posee solo 379 partículas subatómicas.

25. Si el átomo de un determinado elemento contiene: 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones, ¿qué alternativa contiene un isótopo del átomo dado? A) 6 protones, 8 neutrones y 8 electrones. B) 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. C) 6 protones, 6 neutrones y 7 electrones. D) 8 protones, 6 neutrones y 6 electrones. E) 8 protones, 8 neutrones y 6 electrones. 26. Clasifique como falso (F) o verdadero (V), según corresponda, a cada una de las siguientes proposiciones: I. El número de nucleones fundamentales de un átomo está determinado por su número de masa. II. La elevada densidad del núcleo se puede justificar por la existencia de la fuerza electromagnética. III. Los electrones de los átomos de oxígeno son más pesados que los electrones del hidrógeno. IV. Los isótopos de un elemento solo se diferencian en el número de neutrones. A) VFFF B) VFFV C) VVFF D) FFFV E) VFVV 27. La especie iónica X 4− tiene el mismo número de electrones que el ion Y 3+ . Este último posee 188 nucleones fundamentales y 59 neutrones. ¿Cuál es la carga nuclear del anión? A) 12 B) 22 C) 32 D) 42 E) 52 28. La plata tiene dos isótopos, uno de 60 neutrones (abundancia porcentual 51,839%) y el otro de 62 neutrones. Teniendo en cuenta que el número atómico de este elemento es 47, indique si las proposiciones son verdaderas (V) ó falsas (F): I. La abundancia porcentual del isótopo más pesado es: 48,161%. II. La cantidad de nucleones en el átomo más liviano 107. III. Los átomos de este elemento son idénticos. A) VVV B) FFF C) VFV D) VVF E) VFF

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29. Las especies A y B son isoelectrónicas. De acuerdo a esta afirmación, indique si las siguientes alternativas son verdaderas (V) o falsas (F): I. A es un ión negativo y B es un elemento. II. A y B son iones. III. A y B son dos elementos distintos. A) VVV B) VVF C) VFF D) FVV E) FFF 30. Completar el siguiente cuadro para las especies isoelectrónicas: K + ; S2− Especie

e−

K+ S 2−

A 34

¿Qué relación existe entre el catión K1+ y A) Isoelectrónicos B) Isótonos C) Isótopos D) Isóbaros E) Hílidos.

40 20

n 21 18

Ca ?

EL BOSÓN DE HIGGS Bosón de Higgs: qué es y por qué es tan importante Guía para entender la importancia de la partícula que explicaría el origen de la masa DIARIO LA GACETA DE ESPAÑA, COLPISA: 06 de julio de 2012

¿Qué es el bosón de Higgs? Es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra.

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¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs? Porque es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no ha sido descubierta. El modelo estándar describe perfectamente las partículas elementales y sus interacciones, pero queda una parte importante por confirmar, precisamente la que da respuesta al origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos.

Para explicar esto, varios físicos, entre ellos el británico Peter Higgs, postularon en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el campo de Higgs. Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman bosón de Higgs.

¿Cómo funciona el mecanismo de Higgs? El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una «fricción» con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.

¿Qué es un bosón? Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que componen la materia, y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones.

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¿Cómo se puede detectar el bosón de Higgs? El bosón de Higgs no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más familiares. Lo que se pueden ver son sus «huellas», esas otras partículas que podrán ser detectadas en el LHC. En el interior del anillo del acelerador colisionan protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando se producen las colisiones en puntos estratégicos donde están situados grandes detectores, la energía del movimiento se libera y queda disponible para que se generen otras partículas. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein. Debido a que la teoría no establece su masa sino un amplio rango de valores posibles, se requieren aceleradores muy potentes para explorar este nuevo territorio de la Física. El LHC es la culminación de una «escalada energética» dirigida a descubrir el bosón de Higgs en los aceleradores de partículas. Cuando alcance su máxima potencia en el 2014, el LHC colisionará protones a una energía cercana a 14 teraelectronvoltios (TeV). Actualmente, funciona a algo más de la mitad, 8 TeV. En cualquier caso, si existe, la partícula de Higgs se producirá en el LHC.

¿Cuándo se sabrá si se ha encontrado el bosón de Higgs? En Física de Partículas el concepto de observación se define estadísicamente en términos de desviaciones estándar o «sigmas», que indican la probabilidad de que un resultado experimental se deba a la casualidad en vez de ser un efecto real. Para conseguir una mayor significación estadística, y por tanto aumentar las probabilidades de observación, los experimentos necesitan analizar muchos datos. El LHC genera unos 300 millones de colisiones por segundo, por lo que la cantidad de datos a analizar es ingente. Se mide enfemtobarns inversos, unidad que da idea de la cantidad de colisiones que se produce en un acelerador de partículas por unidad de área y tiempo (luminosidad). Si una medida tiene cinco sigmas de nivel de certeza se habla de «observacón». Para alcanzar cinco sigmas tendríamos que sacar cara más de 20 veces seguidas, una probabilidad menor de 0,00006 %. Para estar seguros de que una observación corresponde a un bosón de Higgs del Modelo Estándar y no a otra partícula diferente, será necesario estudiar en detalle y con más datos las propiedades de la nueva partícula. En concreto, si la forma en que se produce y se desintegra está de acuerdo con lo predicho por la teoría o no, lo cual sería aún más interesante. ¿Qué sabemos hasta el momento del bosón de Higgs? Búsquedas directas realizadas en anteriores aceleradores de partículas como el LEP del CERN y Tevatron, del Laboratorio Fermi de los Estados Unidos, establecieron que la masa del bosón de Higgs debe ser superior a los 114 GeV (gigaelectronvoltios; 1 gigaelectronvoltio equivale aproximadamente a la masa de un protón).

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Otras evidencias indirectas observadas en procesos físicos que involucran al bosón de Higgs descartaron una masa superior a 158 GeV. Resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC se presentaron en el CERN en diciembre del 2011, obtenidos a partir de cinco femtobarn inversos de datos recopilados desde el 2010. Estos resultados mostraron que el rango de masas más probable está entre los 116 y los 130 GeV (gigaelectronvoltios), según el experimento ATLAS, y entre 115 y 127 GeV, según el experimento CMS. Lo más interesante es que los dos grandes experimentos del LHC vieron indicios de su presencia en la región comprendida entre los 124 y los 126 GeV.

¿Qué pasa si se descubre el bosón de Higgs? Sería el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas. Marcaría el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura, un tipo de materia que compone el 23% del Universo pero cuyas propiedades son completamente desconocidas. Este es otro reto para la disciplina y experimentos como el LHC.

¿Qué pasa si no se descubre el bosón de Higgs? No descubrir el bosón de Higgs en los parámetros establecidos en el Modelo Estándar obligará a formular otra teoría para explicar cómo las partículas obtienen su masa, lo que requerirá nuevos experimentos que confirmen o desmientan esta nueva teoría. Así es como funciona la ciencia.

Beneficios para la sociedad de la física de partículas La tecnología desarrollada en los aceleradores de partículas tiene beneficios indirectos para la Medicina, la Informática, la industria o el medio ambiente. Los imanes superconductores que se usan para acelerar las partículas han sido fundamentales para desarrollar técnicas de diagnóstico por imagen como la resonancia magnética. Los detectores usados para identiicar las partículas son la base de los PET, la tomografía por emisión de positrones (antipartícula del electrón). Y cada vez más centros médicos utilizan haces de partículas como terapia contra el cáncer.

La World Wide Web (WWW), el lenguaje en el que se basa Internet, fue creado en el CERN por Tim Berners-Lee para compartir información entre científicos ubicados alrededor del mundo, y las grandes cantidades de datos que producen los aceleradores de partículas motivan el desarrollo de una red de computación global distribuida llamada GRID.

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Los haces de partículas producidos en aceleradores tipo sincrotrón o las fuentes de espalación de neutrones, instrumentos creados por los físicos para comprobar la naturaleza de la materia, tienen aplicaciones industriales en la determinación de las propiedades de nuevos materiales, así como para caracterizar estructuras biológicas o nuevos fármacos. Otras aplicaciones de la Física de Partículas son la fabricación de paneles solares, esterilización de recipientes para alimentos o reutilización de residuos nucleares, entre otros muchos campos.

Bibliografía Cepreuni, Material de Química, preuniversitario, Lima, Peru 2013. Banco de preguntas de la UNI desde 1980 hasta el 2014. Desarrollado por Micienciaquimica, material en constante cambio. GARRITZ – CHAMIZO. Estructura Atómica, un enfoque Químico. Fondo Educativo Interamericano, S.A. México. 1986. ROMO DE VIVAR; Alfonso. Química Universo Tierra y Vida. Quinta reimpresión. UNAM, México. 1996.

Netgrafía •

http://renovacionciencias.wordpress.com/grado-decimo/estructura-atomica/

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http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n7/full/ncomms1944.html

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http://www.lavozdegalicia.es

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