1-ATOMOS MOLECULAS IONES

U1: Introducción a la química inorgánica MSc. Nelson Zamora Rodríguez.
Guía de estudio No 1
Tema 1: Átomos, moléculas e iones.
1.1 Teoría atómica:
1.2 Estructura del átomo.
1.3 Número atómico, número de masa e isotopos.
1.4 Moléculas y compuestos moleculares.
1.5 Iones y compuestos iónicos.
Competencias:
1. Explica la importancia del átomo como estructura básica de la materia, teniendo en cuenta la diferencia entre átomos de la misma
especie y especies diferentes.
2. Destaca la naturaleza eléctrica del átomo en la formación de compuestos iónicos y moleculares, que hace posible la agregación
de la materia en sus diferentes estados.
3. Representa creativamente mediante carteles y modelos tridimensionales la estructura atómica y de moléculas sencillas.
4. Resuelve ejercicios relacionados con la estructura del átomo, de conformidad a su comportamiento y propiedades determinadas
mediante diferentes postulados.
Desarrollo:
Los átomos, moléculas e iones representan la expresión mínima de la materia, de sus propiedades y forma de agregación depende los
diferentes estados en que la materia se manifiesta físicamente, encontrando cuatro estados fundamentales a saber: Sólido, líquido,
gas y plasma.
1.1 Teoría atómica:
Los griegos fueron los primeros en tomar conciencia que la materia estaba formada por partículas pequeñas a las que llamaron átomo,
que significa indivisible. Las ideas modernas sobre la estructura de la materia se basan en la teoría atómica de Dalton, de principios
del siglo XIX. El trabajo de Dalton marcó el principio de la química moderna. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia en las que
se basa la teoría atómica de Dalton pueden resumirse como sigue:
1
1. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Todos los átomos de un mismo elemento
son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos
los demás elementos.
2. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos
entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla.
3. Una reacción química incluye sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca se crean o se destruyen.
En 1879, el físico inglés William Crookes, observó que, si se creaba vacío dentro del tubo, retirando el aire presente en su interior,
aparecía un resplandor, originado en el electrodo negativo y que se dirigía hacia el electrodo positivo, por lo que Crookes concluyó
que debía tratarse de haces cargados negativamente, que luego fueron bautizados como rayos catódicos. Posteriormente, J. Tompson
estableció, en 1895, que dichos rayos eran en realidad partículas, mucho más pequeñas que el átomo de hidrógeno y con carga negativa,
que recibieron el nombre de electrones.
Eugen Goldstein (1850-1930), realizó algunas modificaciones al diseño inicial del tubo de rayos catódicos. Observó que detrás del
cátodo se producía otro tipo de resplandor, proveniente del ánodo, por lo que dedujo que los nuevos rayos poseían carga positiva.
Posteriormente fueron bautizados como protones.
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En 1932 James Chadwick observó que, al bombardear placas de berilio con partículas alfa, estas placas emitían unas partículas, que
a su vez se hacían chocar contra un bloque de parafina, ocasionando un desprendimiento de protones en este. Este hecho hacía pensar
que su masa debía ser similar a la de los protones. Además, estas partículas no se desviaban por la presencia de campos eléctricos,
luego debían ser neutras, por lo que se las llamó neutrones.
En 1932, Carl David Anderson descubrió el positrón, con lo cual abrió las puertas a todo un panorama de nuevas partículas (más de
200 diferentes) obtenidas en laboratorios especializados y frecuentemente con una vida efímera.
1.2 Estructura del átomo.
Los átomos están constituidos por un núcleo central y electrones, de carga negativa, que giran alrededor
de él. A su vez el núcleo está formado por protones, de carga positiva, y neutrones, que no poseen carga. El
átomo es neutro, por lo tanto, el número de protones es igual al número de electrones. En general la masa
de un átomo es aproximadamente la masa del núcleo, pues la masa del electrón es 1 840 veces menor que
la masa del protón. La masa del neutrón es aproximadamente igual a la masa del protón.
De acuerdo al modelo mecánico-cuántico, que representa la estructura moderna del átomo, establece que
el núcleo constituye aproximadamente el 99% de la masa atómica y que los electrones se ubican en regiones concéntricas de energía.
Dentro del núcleo, el número de neutrones aumentan en medida que aumenta el número de protones, con el propósito de disminuir el
efecto repulsivo de las cargas positivas y garantizar de esta manera la estabilidad atómica, de lo contrario provocaría el colapso y
desintegración del núcleo. Por el contrario, los electrones giran en orbitas elípticas al interior de cada nivel energético principal, este
movimiento electrónico persigue evitar el choque entre ellos y ser atraídos por los protones en el núcleo.
2
1.3 Número atómico, número de masa e isotopos.
a. Número atómico, Z: indica el número de protones que se encuentran en el núcleo del
átomo de un determinado elemento. La identidad química de un elemento está
determinada por el número atómico. El núcleo de todos los átomos de un elemento
en particular tiene el mismo número de protones, mientras que los átomos de
elementos diferentes tienen distinto número de protones en sus núcleos; de esta
manera, por ejemplo, todos los átomos de oxígeno tienen ocho protones mientras
que todos los átomos de carbono tienen seis protones en sus núcleos.
Elemento
Hidrógeno
Carbono
Oxígeno
Número
atómico (Z)
1
6
8
Número
másico (A)
1
12
16
b. Número de masa, A: está dado por el número total de protones y neutrones presentes en el núcleo del átomo de un determinado
elemento. El número másico, masa atómica o peso atómico aumenta en medida que aumenta el Z, debido al
aumento de los neutrones al aumentar los protones.
A fin de dar mayor énfasis y claridad se suele escribir el número atómico como un subíndice a la izquierda del
símbolo del elemento y el número de masa como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento, tal como se
muestra a continuación:
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El número de neutrones de un elemento químico se puede calcular como A-Z, es decir, como la diferencia entre el número másico y el
número atómico. No todos los átomos de un elemento dado tienen la misma masa. La mayoría de los elementos tiene dos o más
isótopos, átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico. Por lo tanto, la diferencia entre dos isótopos
de un elemento es el número de neutrones en el núcleo. En un elemento natural, la abundancia relativa de sus isótopos en la naturaleza
recibe el nombre de abundancia isotópica natural. La denominada masa atómica de un elemento es una media de las masas de sus
isotopos naturales ponderada de acuerdo a su abundancia relativa.
Ejemplo: ¿Cuántos neutrones posee un átomo de sodio, si se sabe que tiene A: 23 y Z: 11? R: En este caso se resuelve haciendo una
operación de sustracción. Neutrones (n): A-Z; entonces n: 23 – 11 = 12. R: la cantidad de neutrones que posee el átomo de Na es 12.
Escribe un símbolo adecuado para la especie con 53 protones, 54 electrones y 78 neutrones. R: Al presentar un exceso en un electrón,
131
será una especie cargada negativamente; su símbolo será: 53X − El elemento con número atómico 53 es el yodo; luego el símbolo
131
será:
I −
53
Nota: Dado a que a mayor número de protones en el núcleo la repulsión de los mismos es mayor, por consiguiente, el número de
neutrones debe ser mayor al número de protones a fin de estabilizar al átomo y evitar el colapso y desintegración del mismo.
La mayoría de los elementos químicos presentan isótopos. Por ello, a la hora de dar la masa atómica de un elemento se indica la masa
del átomo promedio de ese elemento, calculada como media ponderada de la masa de cada isótopo del mismo y su abundancia isotópica
(el porcentaje con el que se presenta cada isótopo) en la naturaleza, según la fórmula: A r =
∑ A x abundancia isotópica (%)
Ejemplo: La plata natural está constituida por una mezcla de dos isótopos de números másicos 107 y 109. Sabiendo que abundancia
isotópica es la siguiente: 107 Ag =56% y 109 Ag =44%. Deducir el peso atómico de la plata natural.
100
3
A r = (107∗56)+(109∗44)
= 107,88
100
1.4 Moléculas y compuestos moleculares.
Los átomos son las unidades más pequeñas de la materia que todavía retienen las propiedades químicas fundamentales de un elemento.
Sin embargo, gran parte del estudio de la química implica observar lo que sucede cuando los átomos se combinan con otros átomos
para formar compuestos. Un compuesto es un grupo definido de átomos unidos por enlaces químicos. De la misma forma como la
estructura del átomo se mantiene unida por la atracción electrostática entre el núcleo con carga positiva y los electrones negativos
que lo rodean, la estabilidad dentro de los enlaces químicos también se debe a las atracciones electrostáticas.
Cuando dos átomos no metálicos de la misma especie o de especies diferentes se unen entre sí compartiendo sus electrones de
valencia, se forma un tipo de enlace llamado covalente y el compuesto así formado se llama compuesto molecular o simplemente
molécula, por ejemplo: homomolécula: H2, O2, Cl2. Heteromolécula: CO2, H2O, H2PO4
1.5 Iones y compuestos iónicos.
un ion es un átomo o un grupo de átomos que tiene una carga neta positiva o negativa. El número de protones, cargados positivamente,
del núcleo de un átomo permanece igual durante los cambios químicos comunes (llamados reacciones químicas), pero se pueden
perder o ganar electrones, cargados negativamente. La pérdida de uno o más electrones a partir de un átomo neutro forma un catión,
un ion con carga neta positiva. por ejemplo, un átomo de sodio (Na) fácilmente puede perder un electrón para formar el catión sodio,
que se representa como Na + . Un anión es un ion cuya carga neta es negativa debido a un incremento en el número de electrones. por
ejemplo, un átomo de cloro (Cl) puede ganar un electrón para formar el ion cloruro Cl −.
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Se dice que el cloruro de sodio (NaCl), la sal común de mesa, es un compuesto iónico porque está formado por cationes y aniones. un
átomo puede perder o ganar más de un electrón. como ejemplos de iones formados por la pérdida o ganancia de más de un electrón
están: Mg 2+ , Fe 3+ , S 2– y N 3– . Estos iones, lo mismo que los iones Na+ y Cl–, reciben el nombre de iones monoatómicos porque contienen
solamente un átomo. Con algunas excepciones, los metales tienden a formar cationes y los no metales, aniones.
Además, es posible combinar dos o más átomos y formar un ion que tenga una carga neta positiva o negativa. Los iones que contienen
más de un átomo, como es el caso de OH – (ion hidróxido), CN – (ion cianuro) y NH 4
+
(ion amonio) se denominan iones poliatómicos.
Actividades:
1. Busque el significado de las palabras siguientes: átomo, elemento químico, protón, electrón, neutrón, isótopo, nivel energético,
enlace químico, atracción electroestática, enlace covalente, enlace iónico, ion, catión, anión, electrones de valencia,
2. ¿Por qué se llegó a considerar durante mucho tiempo que el átomo era indivisible?
3. ¿Cuáles fueron los postulados, teorías o experimentos que permitieron describir la verdadera estructura atómica?
4. En relación a la teoría atómica, que otros aportes hacen Dalton, Proust, Thompson, Rutherford, Pauling,
5. ¿Qué son las fuerzas electrostáticas en las moléculas?
6. Realice un listado de los productos de limpieza utilizados en su casa, investigue su composición química y sepárelos según su
naturaleza molecular o iónica.
7. Investigue la tabla de iones monoatómicos más comunes.
8. Escribe un breve ensayo de una página acerca de la relación que existe entre la realidad y los modelos atómicos que ha propuesto
la ciencia para representarla.
Recursos:
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=50&l=s
https://es.khanacademy.org/science/chemistry/atomic-structure-and-properties
4
Bibliografía:
Anexo III. Conceptos básicos de química. Internet: https://avdiaz.files.wordpress.com/2008/08/conceptos-bc3a1sicos-dequc3admica1.pdf
Isotopos, número atómico, número másico. Internet: http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-05.html
César Humberto Mondragón Martínez. Luz Yadira Peña Gómez. Martha Sánchez de Escobar. Fernando Arbeláez Escalante. Diana
González Gutiérrez. 2 010. Hipertexto. Química 1. Santillana. Bogota. Colombia. 288 p.
Chang, Raymond. 2 010. Química. 10 Ed. McGraw Hill Interamericana. México
Lectura: Compuestos químicos naturales contra productos sintéticos
Tomada y adecuada de: Química inorgánica. 4ª Ed. McGraw Hill. México 2 008.
¿Son mejores las vitaminas, los fármacos y otras sustancias naturales que las purificadas o las sintéticas que producen las compañías
farmacéuticas? Algunos empaques de vitaminas tienen un rótulo que dice completamente natural. Casi todas estas vitaminas se
extraen de fuentes vegetales o animales.
Cuando tienes dolor de cabeza, ¿qué tomas para calmarlo, una taza de corteza de sauce o dos aspirinas? Los ingredientes activos de
los dos remedios tienen estructuras químicas semejantes y los dos alivian el dolor de cabeza, pero el ácido salicílico, el compuesto
químico de la corteza del sauce, produce varios efectos colaterales dañinos, como dolor de estómago, por ejemplo. Con la aspirina
ocurre lo mismo, pero es un analgésico más eficaz y se puede tomar en dosis más bajas. La corteza del sauce contiene además otras
sustancias químicas.
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Después de años de investigación, los científicos produjeron aspirina en el laboratorio a partir de ácido salicílico y anhídrido acético,
contiene un solo ingrediente activo, el ácido acetilsalicílico. La aspirina no es una sustancia pura, su estructura es distinta y no produce
el dolor de estómago tan agudo que provoca el ácido salicílico.
Nuevos fármacos Cuando los científicos descubren en la naturaleza un nuevo compuesto químico que puede ser un tratamiento
potencial o curar una enfermedad, ¿qué se hace? El procedimiento para elaborar fármacos seguros y eficaces es el siguiente: aislar
y purificar el fármaco, determinar su composición y estructura, investigar cómo sintetizarlo, buscar una manera fácil y económica de
producirlo en grandes cantidades y tratar de cambiar la composición y estructura del compuesto original para mejorar el modelo de
la naturaleza.
Investiga: Qué productos naturales se pueden utilizar en Nicaragua para aliviar el dolor de cabeza.
Construye ¿En qué se parecen las estructuras del ácido salicílico y del ácido acetilsalicílico (aspirina)? ¿En qué difieren?
Analiza las ventajas y desventajas del uso de las yerbas medicinales, de los fármacos naturales purificados y de los fármacos sintético.
Adaptada de John S. Phillips, Victor S. Strozak y Cheryl Wistrom,
Química. Conceptos y aplicaciones, McGraw-Hill Interamericana
Editores, México, 2007, p. 32
Evaluación:
1) Define los siguientes términos: átomo, número atómico, número másico, anión, catión, isótopo
2) Escribe la diferencia entre elemento y compuesto
3) Completa el esquema del átomo teniendo en cuenta la información que se te proporciona acerca del mismo:
5
4) Completa las oraciones con la palabra o frase correcta.
a) Cuando el número de _______________ es igual al de electrones, el átomo es ______________
b) Si un átomo gana electrones, se convierte en un _______________, y si los pierde en un ___________________
c) Cuando un átomo gana o pierde _____________ se convierte en un átomo de otro elemento
d) Los isótopos son átomos con igual número de ___________________ y distinto número de_________________
e) El número atómico representa el número de ________________ de un átomo y el número ________________ al número de
_______________ y ________________ del núcleo
5) Piensa y razona tu respuesta
a) Si el núcleo está formado por protones, de acuerdo con su carga, ¿qué debería ocurrir en dicho núcleo?
b) ¿Qué papel desempeñan los neutrones en el átomo?
c) ¿Por qué los electrones no pueden estar quietos y giran alrededor del núcleo?
d) ¿Pueden los electrones moverse de cualquier manera? ¿por qué?
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6) Indica cuántos protones, neutrones y electrones tienen y dibuja los átomos representados por los siguientes símbolos:
a) 9 5 X; b) 14 17
7 Y; c) 8 R
7) El elemento cinc tiene un número másico de 65 y además sabemos que contiene 35 neutrones.
a) Indica cuántos protones contiene y su número atómico.
b) si el cinc pierde dos electrones qué tipo de ion formaría, cómo se representa.
8) Indica si entre los siguientes átomos hay isótopos, cuáles y explica por qué
a) 16 8 X b) 16 7 X c) 17 8 X d) 18 8 16
X e) 32X
9) Determina el número de partículas que contienen los siguientes iones:
16
32S −
11
23Na +
17
35Cl −
24
52Cr +3
10) Representa los iones que se originan en los siguientes procesos, indicando si serán aniones o cationes en cada caso:
a) Al átomo de Magnesio (Z=12) se le retiran 2 electrones
b) Al átomo de Bromo (Z=35) se le añade un electrón
c) Al átomo de aluminio (Z=13) se le retiran tres electrones
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