TEMA 10.1: MATERIA Y ENERGÍA
Materia y Energía:
La
materia, un componente del Universo
1. Los átomos
Teresa está desayunando un
bizcocho, y al partirlo se le ha desmigajado. ¿Serán esas pequeñas migas la
estructura básica de la materia?
Hace ya mucho que se sabe que
no, que incluso la miga más pequeña aún puede dividirse en otras más pequeñas,
y éstas en otras aún menores...
Esto lleva a pensar que en
algún momento tras muchas divisiones, se llegaría a la “miga que no se puede
dividir”, el componente básico del bizcocho… los
átomos.
Pero… ¿qué es un átomo?
1.1. ¿Cómo es un átomo?
Los
átomos son los componentes básicos de la materia. Un átomo está constituido
por:
·
La corteza donde se encuentran los electrones (con carga eléctrica negativa).
·
El núcleo que es la parte central del átomo,
formado por los protones (con
carga eléctrica positiva) y neutrones (sin carga).
En el
núcleo se concentra aproximadamente el 99.99% de la masa total del átomo y
tiene carga positiva.
Pregunta de Elección Múltiple
1.2. Ordenados se estudian
mejor
En la naturaleza hay 94 tipos
de átomos diferentes (y otros cuantos más obtenidos de forma artificial), que
corresponden a los distintos elementos químicos que existen. Cada uno de
ellos tiene su nombre y, además, para representarlos de forma sencilla los
científicos le han puesto un símbolo con una letra, a lo sumo dos
(la primera en mayúsculas y la segunda en minúsculas), a cada elemento. Por
ejemplo, el oxígeno es la O, el hidrógeno la H, el sodio Na, el cloro Cl, el
carbono C, el calcio Ca y así sucesivamente. Puedes ver los nombres y los
símbolos de todos los elementos en la tabla periódica, que
es como se llama a la forma en la que los científicos los han organizado para
poder estudiarlos más fácilmente.
No te preocupes, porque no
tendrás que aprendértela de memoria… ¡Aunque sí tendrás que saber obtener
información de ella, y saberte los símbolos de los elementos más comunes!
Junto al símbolo, en cada
casilla de la tabla periódica aparece un numerito (arriba a la izquierda), se
llama número atómico y nos dice el número de protones que todos los átomos de ese tipo tienen en
su núcleo. Se representa por la letra Z.
En la tabla periódica, los
átomos se ordenan por número atómico creciente.
Los átomos son neutros, tienen el mismo número de cargas eléctricas
positivas que negativas, es decir, tienen
el mismo número de electrones que de protones.
Los
átomos se diferencian unos de otros por su número atómico, es decir, por el
número de protones que poseen en sus núcleos.
Por
ejemplo…
Fíjate
en la casilla del carbono; el número atómico del carbono es Z = 6. Pues bien,
esto significa que todos los átomos de carbono del universo tienen seis
protones en su núcleo. Todos. Sin excepción. Jamás encontraremos un átomo de
carbono que tenga, por ejemplo, 5 protones; un átomo con cinco protones será,
necesariamente, un átomo de boro.
¿Y qué pasa con los neutrones?
Aunque todos los átomos de un mismo tipo tienen siempre el mismo
número de protones, no sucede lo mismo con el número de neutrones.
Por ejemplo, hay átomos de carbono que tienen 6, 7 e incluso 8
neutrones. Pero esto no afecta a que sean átomos de carbono (claro, mientras
sigan teniendo 6 protones, por supuesto)
A la suma del número
de protones y neutrones de un
átomo se le llama número másico y se representa por la letra A.
Una forma habitual de ofrecer toda la información sobre un átomo
(símbolo, número de protones, número de electrones y número de neutrones) es
escribirlo así:
Por ejemplo, en la imagen se representa un átomo de carbono 14,
que tiene 6 protones y 8 neutrones. Su número másico es, por tanto, 6 + 8 = 14.
Dos átomos del mismo tipo, con el mismo número de protones, pero
que tengan distinto número de neutrones, se dice que son isótopos.
2. La unión hace la variedad
Los átomos de un elemento no
suelen encontrarse libres en la naturaleza;
no suelen estar solos, sino en compañía de otros átomos, formando moléculas.
Una molécula es una combinación de dos o más átomos,
del mismo o de distintos elementos químicos, que
se mantienen fuertemente
unidos.
Los átomos son como las
letras del abecedario: pueden ir solos, letras sueltas (aunque es raro), o
juntarse y formar palabras, nuestras moléculas, e incluso juntarse moléculas y
formar "las frases de la materia". Cogemos 3 átomos de esto, 2 de
aquello y... ya tenemos una molécula.
Eso sí, todas las moléculas de una
determinada sustancia son exactamente iguales, y diferentes a las de todas las
demás sustancias.
Por ejemplo si un átomo de
oxígeno se junta con dos átomos de hidrógeno, ya tenemos una molécula de agua.
En un vaso de agua hay millones de estas moléculas; todas igualitas,
todas con su átomo de oxígeno y sus dos átomos de hidrógeno.
¿Existe alguna diferencia
entre que todos los átomos de una molécula sean iguales o que no lo sean?
En el primer caso, cuando todos
los átomos de una molécula son iguales, se habla de sustancias simples.
Por ejemplo el ozono, que está formado por tres átomos de oxígeno (O3).
En el segundo caso, hablamos
de compuestos. Luego un compuesto es una molécula cuyos
átomos no son todos iguales. Por ejemplo el agua que, como
acabas de ver, está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H2O).
Aunque parezca mentira, toda la materia que nos rodea,
las millones de sustancias distintas que hay a nuestro alrededor, está formada por moléculas que, a su vez, se forman combinando en
distintas cantidades los 94 tipos de átomos diferentes que hay.
Para representar las
moléculas de forma sencilla, los científicos usan los símbolos de los elementos
que las forman y unos números que indican cuántos átomos de cada clase
"entran en el juego", forman parte de esa molécula.
Así la molécula de agua que antes "formamos" se
representa como H2O,
dos hidrógenos y un oxígeno.
La molécula de ácido clorhídrico (salfumán o agua
fuerte), está compuesta por un átomo de cloro y otro de hidrógeno: HCl
La molécula de bicarbonato sódico está formada por un
átomo de sodio, uno de carbono, uno de hidrógeno y tres de oxígeno: HNaCO3
A esta manera de representar las
moléculas, usando los símbolos de los elementos que la forman y un numerito que
indica cuántos átomos de cada clase intervienen en ella se le llama fórmula de la molécula.
Fíjate que cuando hay un solo
átomo de un elemento no se pone ningún subíndice. El 1 se sobreentiende.
Calcular una masa molecular
La fórmula de la molécula de glucosa es C6H1206
Sabiendo que las masa atómica del Hidrógeno es 1, la del Carbono
es 12 y la del Oxígeno 16
¿Cuál crees que será la masa molecular de una molécula de
glucosa?
Para calcular la masa molecular de cualquier molécula
hay que multiplicar la masa atómica de cada elemento por el número de átomos de
ese elemento que hay en la molécula, y luego sumarlo todo:
Masa molecular de C6H1206 = (12 · 6) + (1 ·12) + (16 · 6) = 72 + 12 + 96 = 180
2.1. ¿Cómo se unen los
átomos?
¿Cómo se unen los átomos para formar las moléculas?
A través de sus electrones, mediante uniones que se denominan enlaces,
y que pueden ser de distintos tipos.
Recuerda dos cosas que ya has estudiado:
·
Los electrones tienen carga negativa y los protones positiva.
·
Los átomos tienen el mismo número de electrones en su corteza
que de protones en su núcleo.
Y ahora, dos nuevas:
·
Si un átomo pierde uno o más electrones, se quedará con más
protones que electrones y, por tanto, con más carga positiva que negativa. Ya
no es un átomo, sino un ión positivo (catión).
·
Si un átomo gana uno o más electrones, tendrá más electrones que
protones y, por tanto, con más carga negativa que positiva. Tampoco será ya un
átomo, sino un ión negativo (anión).
Un ión es un átomo con carga, negativa o
positiva
Iónico y covalente son los tipos más importantes de
enlaces entre átomos.
Ø
Enlace
iónico:
o Un átomo pierde electrones y el otro
los gana.
o Se forman iones de signo opuesto, que
se atraen
Ø
Enlace
covalente:
o Los átomos comparten sus electrones.
o No se forman iones
Ø Enlace metálico: Los
metales presentan un tipo de enlace característico y propio, denominado enlace
metálico.
2.2. Formular y Nombrar
Se denomina número de oxidación al número de electrones que un
átomo comparte en un enlace.
Este curso aprenderás a formular los compuestos más sencillos,
los llamados compuestos binarios,
porque están constituidos por tan solo dos elementos.
¿Y cómo sabes cuántos átomos tienes que usar de cada uno?
El que colocas en primer lugar en la fórmula debe tener un
número de oxidación positivo, y el segundo lo debe tener negativo. Escribes los
dos y como subíndice le colocas a cada uno el número de oxidación del otro (ya
sin el signo).
Por último, si es posible simplifica la fórmula: Si2O4
Divido los dos subíndices entre 2: SiO2
¿Has visto que fácil?
Solo una cosa más antes de terminar. ¿Cómo se nombran los
compuestos binarios?
En un compuesto binario se empieza a leer la fórmula por la
derecha (ten cuidado, en castellano leemos en el otro sentido.)
·
Se nombra la raíz del primer elemento, terminado en -uro (cloruro, hidruro, sulfuro...). Si es
un oxígeno, entonces se lee óxido. Siempre irá precedida
del prefijo que indica el número de átomos de ese elemento (di, tri, tetra,
penta...)
·
Después la preposición "de" seguida del nombre del
segundo elemento, también precedido por el prefijo del número de átomos.
Siempre hay excepciones
Hay algunas combinaciones del hidrógeno con elementos no
metálicos que tienen nombres
especiales: H2O, agua; CH4, metano; H3N,
amoniaco.
No es que no se puedan nombrar según las reglas que acabas de
ver. Si lo intentas, verás que sus nombres son óxido de dihidrógeno,
tetrahidruro de carbono y nitruro de trihidrógeno, pero la IUPAC recomienda
usar los tradicionales.
ACTIVIDADES
1. ¿En qué parte de los átomos se concentra la mayor parte de su
masa?
2. ¿Cuál de las tres partículas subatómicas tiene carga eléctrica
negativa?
3. Indica si las siguientes afirmaciones, referidas al átomo, son
ciertas o no.
a)
Todas las partículas
que forman un átomo tienen carga, positiva o negativa.
b)
El núcleo tiene carga
positiva y la corteza negativa.
c)
El núcleo, a pesar de
poseer más masa que la corteza, ocupa muy poco espacio.
4. ¿Cuál es el símbolo del cobre?
5. Si un determinado átomo tiene 8 protones y 10 neutrones, ¿cuáles
serán su número atómico y su número másico?
6.
Marca
cuál o cuáles de las siguientes fórmulas representan moléculas.
7.
La
molécula de sulfato de cobre está formada por un átomo de cobre, un átomo de
azufre y cuatro de oxígeno. ¿Cuál de las siguientes será su fórmula?
8.
Un
ácido muy importante es el ácido nítrico. Su molécula está formada por un átomo
de hidrógeno, uno de nitrógeno y tres de oxígeno, ¿con cuál de las siguientes
fórmulas la representarías?
9.
Indica
si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas
a) Los
átomos son siempre neutros.
b) Para
formar un enlace iónico un átomo debe perder electrones o protones y otro átomo
ganarlos.
c) En un
enlace covalente los átomos comparten electrones, pero no forman iones.
10.
Completa la siguiente
tabla
Elemento
|
(Z)
|
(A)
|
Protones
|
Neutrones
|
Electrones
|
K
|
19
|
39
|
|||
Mg
|
12
|
12
|
|||
Ti
|
48
|
22
|
|||
F
|
19
|
9
|
|||
Cu
|
29
|
63
|
|||
Pt
|
195
|
78
|
|||
Ar
|
22
|
18
|
|||
Ag
|
47
|
108
|
Recuerda
Z = nº protones = nº electrones
A = nº protones + nº neutrones
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