El átomo

Superficie de grafito
Átomo de carbono
Núcleo de carbono
El grafito de este lápiz y los diamantes están
compuestos por átomos del mismo elemento:
carbono.
2(I), 3(A)
LaunchLAB
¿Cómo se pueden observar los
efectos de las cargas eléctricas?
Las cargas eléctricas cumplen una función
importante en la estructura atómica. En
este laboratorio, estudiarás los efectos
de cargas iguales y opuestas.
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100
CAPÍTULO 4
Estructura
del átomo
1 Primeras ideas sobre la materia
3(F), 6(A)
2 Definición de átomo
2(H), 3(F), 6(A)
3 En qué se diferencian los átomos
2(G), 2(I), 3(A), 6(D)
4 Núcleos inestables y desintegración radiactiva
© (inset)Colin Cuthbert/Photo Researchers, (bkgd)©Tetra Images/Corbis
3(F), 12(A)
TEMACENTRAL
Sistemas y modelos de sistemas El desarrollo del modelo atómico
actual se puede rastrear desde la filosofía de los antiguos griegos hasta
los hallazgos más recientes de los aceleradores de partículas modernos.
LAGRANIDEA
Los átomos son el componente básico de la materia.
El átomo
Haz un boletín de mapas
conceptuales. Rotúlalo como se
muestra. Organiza tu estudio sobre
la estructura del átomo.
Electrones Protones Neutrones
Nube de
electrones
Núcleo
Capítulo 4 • Estructura del átomo
101
¡ÚSALO! Cuaderno de ciencias
1 Primeras ideas sobre la materia
QUÍMICA PARA
TI
Un equipo de fútbol podría entrenar
y probar diferentes jugadas con el
fin de desarrollar el mejor plan de
juego posible. A medida que ven
los resultados de sus planes, los
entrenadores pueden hacer ajustes
para mejorar el juego del equipo.
De manera similar, durante los
últimos 200 años los científicos han
propuesto diferentes modelos
atómicos, mejorándolos a medida
que recolectaban nuevos datos.
REPASO DE VOCABULARIO
teoría: explicación respaldada por muchos
experimentos; está sujeta a nuevos datos
que surjan; se puede modificar y se
considera exitosa si con ella se pueden
hacer predicciones que son ciertas
VOCABULARIO NUEVO
IDEAPRINCIPAL
Los antiguos griegos trataron de explicar la materia, pero el estudio
científico del átomo comenzó con John Dalton a principios del siglo XIX.
Preguntas esenciales
• ¿En qué se parecen y en qué se diferencian de los modelos atómicos de Demócrito,
Aristóteles y Dalton?
• ¿De qué forma sirvió la teoría de Dalton para explicar la conservación de la masa?
Raíces de la teoría atómica
La ciencia, como se conoce en la actualidad, no existía hace varios
miles de años. Nadie sabía lo que era un experimento controlado y
había pocas herramientas para la exploración científica. En este escenario,
el poder de la mente y el pensamiento intelectual se consideraban los
medios primordiales hacia la verdad. La curiosidad despertó el interés
de pensadores eruditos, conocidos como filósofos, que reflexionaron
sobre los diversos misterios de la vida. Mientras especulaban sobre la
naturaleza de la materia, algunos de esos filósofos formularon explicaciones de acuerdo a sus experiencias de vida.
Muchos de ellos concluyeron que la materia estaba compuesta por
elementos como tierra, agua, aire y fuego, según se muestra en la Figura 1.
También, era comúnmente aceptado que la materia se podía dividir
infinitamente en partes cada vez más pequeñas. A pesar de que estas
primeras ideas eran creativas, no había un método disponible para
comprobar su validez.
FUEGO
Multilingual
eGlossary
teoría atómica de Dalton
Seco
Caliente
AIRE
Figura 1 Muchos filósofos griegos creían
que la materia estaba compuesta por cuatro
elementos: tierra, aire, agua y fuego. También
asociaban propiedades a cada elemento. El
emparejamiento de propiedades opuestas,
como calor y frío, húmedo y seco, reflejaba la
simetría que observaban en la naturaleza.
Estas primeras ideas no eran científicas.
102 Capítulo 4 • Estructura del átomo
TIERRA
Húmedo
Frío
AGUA
(l)PhotoLink/Getty Images, (t)Andre Jenny/Alamy, (r)Digital Vision/PunchStock, (b)©Sean Daveys/Australian Picture Library/Corbis
6(A) Understand the experimental
design and conclusions used in the
development of modern atomic
theory, including Dalton’s Postulates,
Thomson’s discovery of electron
properties, Rutherford’s nuclear
atom, and Bohr’s nuclear atom.
De proceso: 3(F)
Demócrito El filósofo griego Demócrito (460–370 a. C.) fue el
primero en proponer la idea de que la materia no era divisible de forma
infinita. Él creía que la materia se componía de partículas diminutas
llamadas atomon (palabra de la cual se deriva el término en español
átomo), y que los átomos no se podían crear, destruir o dividir. En la
Tabla 1 se presenta una síntesis de las ideas de Demócrito.
Si bien algunas de las ideas de este filósofo no concuerdan con la
teoría atómica actual, su creencia en la existencia de los átomos estaba
sorprendentemente adelantada a su tiempo. Sin embargo, sus ideas fueron
criticadas por otros filósofos, quienes preguntaban: “¿Qué mantiene unidos
a los átomos?”. Demócrito no podía contestar a esta pregunta.
VOCABULARIO
ORIGEN DE LAS PALABRAS
átomo
proviene de la palabra griega
atomon, que significa indivisible
(t)Science Photo Library/Photo Researchers, (b)The Art Archive/Museo Nazionale Palazzo Altemps Rome/Dagli Ort
Aristóteles Otras críticas provenían de Aristóteles (384–322 a. C.),
uno de los filósofos griegos más influyentes. Él rechazaba la noción de
los átomos porque no concordaba con sus propias ideas sobre la naturaleza.
Una de las mayores críticas de Aristóteles se relacionaba con la idea de
que los átomos se desplazaban por el espacio vacío, ya que él no creía
que existiera el espacio vacío. En la Tabla 1 también se presentan sus
ideas. Debido a que Aristóteles era uno de los filósofos más influyentes
de su época, la teoría atómica de Demócrito acabó siendo rechazada.
Para ser justos con Demócrito, resultaba imposible para él o para
cualquier otro pensador de su época determinar qué mantenía unidos a
los átomos. Habrían de transcurrir más de dos mil años antes de que los
científicos obtuvieran la respuesta. Sin embargo, es importante destacar
que las ideas de Demócrito eran solo eso, ideas, no ciencia. Sin la
capacidad para llevar a cabo experimentos controlados, Demócrito no
podía comprobar su validez.
Por desgracia para el avance de la ciencia, las ideas de Aristóteles
sobre la naturaleza tuvieron una amplia aceptación, las cuales negaban
la existencia de los átomos. Increíblemente, la influencia de Aristóteles
era tan grande y el desarrollo de la ciencia tan primitivo, que sus ideas
¡se mantuvieron vigentes durante dos mil años!
¿Entendiste?
Infiere ¿Por qué fue tan difícil para Demócrito
defender sus ideas?
Tabla 1
Ideas de los antiguos griegos sobre la materia
Ideas
Filósofo
Demócrito
(460–370 a. C.)
•
•
•
•
Aristóteles
(384–322 a. C.)
• El espacio vacío no puede existir.
• La materia se compone de tierra, fuego, aire y agua.
La materia está compuesta por átomos, que se mueven por el espacio vacío.
Los átomos son sólidos, homogéneos, indestructibles e indivisibles.
Diferentes clases de átomos tienen diferentes tamaños y formas.
El tamaño, la forma y el movimiento de los átomos determinan las
propiedades de la materia.
Sección 1 • Primeras ideas sobre la materia
103
Tabla 2
Teoría atómica de Dalton
Ideas
Científico
Dalton
(1766–1844)
• La materia está compuesta por partículas extremadamente pequeñas
llamadas átomos.
• Los átomos son indivisibles e indestructibles.
• Los átomos de un elemento dado son idénticos en tamaño, masa
y propiedades químicas.
• Los átomos de un elemento específico son diferentes de los de otro elemento.
• Átomos diferentes se combinan en proporciones simples de números
enteros para formar compuestos.
• En una reacción química, los átomos se separan, se combinan o se
redistribuyen.
John Dalton Aunque el concepto del átomo se retomó en el siglo
XVIII, pasaron otros cien años antes de que se hicieran avances significativos.
En el siglo XIX, el trabajo llevado a cabo por John Dalton (1766–1844),
un profesor de escuela inglés, marca el comienzo del desarrollo de la teoría
atómica actual. Dalton retomó y replanteó las ideas de Demócrito con
base en los resultados de la investigación científica que llevó a cabo. De
muchas maneras, las ideas de Demócrito y las de Dalton son similares.
Gracias a los avances de la ciencia desde la época de Demócrito,
Dalton pudo realizar experimentos que le permitieron perfeccionar y
sustentar sus hipótesis. Así, estudió numerosas reacciones químicas,
realizó observaciones y mediciones cuidadosas, con lo que pudo determinar las proporciones de masa de los elementos en las reacciones. Los
resultados de su investigación se conocen como teoría atómica de
Dalton, quien la propuso en 1803. En la Tabla 2 se resumen los
aspectos principales de su teoría. En la Figura 2 se muestra un extracto
del libro en el que Dalton publicó sus ideas.
¿Entendiste?
Compara y contrasta las ideas de Demócrito y Dalton.
(t)Rischgitz/Getty Images, (bl br)Wellcome Library, London
Figura 2 En su libro Un nuevo sistema de filosofía química,
John Dalton presentó los símbolos de los elementos conocidos
hasta el momento y sus posibles combinaciones.
104 Capítulo 4 • Estructura del átomo
+
Átomos del elemento A
Masa total = 4 (Masa A)
Átomos del elemento B
Masa total = 8 (Masa B)
Compuesto formado
por los elementos A y B
Masa total = 4 (Masa A) + 8 (Masa B)
Figura 3 Cuando los átomos de dos o más elementos se combinan para formar un compuesto,
se conserva el número de átomos de cada elemento. Por tanto, la masa también se conserva.
Conservación de la masa Recuerda que la ley de conservación
de la masa establece que la masa se conserva en cualquier proceso, como
una reacción química. La teoría atómica de Dalton explica con facilidad
que la conservación de la masa en las reacciones químicas es el resultado
de la separación, combinación o redistribución de los átomos, que no se
crean, ni destruyen o dividen en el proceso. En la Figura 3 se muestra la
formación de un compuesto a partir de la combinación de elementos
y la conservación de la masa durante el proceso. El número de átomos
de cada tipo es el mismo antes y después de la reacción. La convincente
prueba experimental de Dalton, así como una clara explicación de la
composición de los compuestos y la conservación de la masa, llevaron
a la aceptación general de su teoría atómica.
La teoría atómica de Dalton representó un enorme avance hacia el
modelo atómico actual de la materia. Sin embargo, no toda la teoría de
Dalton era precisa. Como suele ser el caso en ciencia, la teoría de Dalton
tuvo que ser replanteada a medida que se obtenía información adicional
que la teoría no podía explicar. Como aprenderás en este capítulo, la
teoría de Dalton sobre la indivisibilidad de los átomos no era correcta.
Los átomos son divisibles en varias partículas subatómicas. También
estaba equivocado en que todos los átomos de un elemento dado tenían
propiedades idénticas. Los átomos del mismo elemento pueden tener
masas ligeramente diferentes.
¡REPÁSALO! Primeras ideas sobre la materia
3(F), 6(A)
Resumen de la sección
• Demócrito fue el primero en plantear
•
•
•
la existencia de los átomos.
De acuerdo con Demócrito, los átomos
son sólidos, homogéneos e indivisibles.
Aristóteles no creía en la existencia de
los átomos.
La teoría atómica de Dalton se basa en
numerosos experimentos científicos.
Self Check
1. IDEAPRINCIPAL Contrasta los métodos empleados por los filósofos griegos y por
Dalton para el estudio del átomo.
2. Define átomo con tus propias palabras.
3. Resume la teoría atómica de Dalton.
4. Explica cómo se relacionan la teoría atómica de Dalton y la conservación de
la masa.
5. Aplica Seis átomos del elemento A se combinan con ocho átomos del elemento B
para producir seis partículas compuestas. ¿Cuántos átomos de los elementos A y B
contiene cada partícula? ¿Se emplean todos los átomos para formar compuestos?
6. Diseña un mapa conceptual en el que compares y contrastes las ideas sobre el
átomo propuestas por Demócrito y John Dalton.
Sección 1 • Primeras ideas sobre la materia
105
¡ÚSALO! Cuaderno de ciencias
2 Definición de átomo
6(A) Understand the experimental
design and conclusions used in the
development of modern atomic theory,
including Dalton’s Postulates, Thomson’s
discovery of electron properties,
Rutherford’s nuclear atom, and Bohr’s
nuclear atom. De proceso: 2(H), 3(F)
IDEAPRINCIPAL
Un átomo está compuesto por un núcleo que contiene protones
y neutrones; los electrones se mueven alrededor del núcleo.
Preguntas esenciales
• ¿Qué es un átomo?
• ¿Cómo se pueden diferenciar las partículas subatómicas en términos de carga
relativa y masa?
TI
Si alguna vez mordiste por accidente
la semilla de un durazno, sabes que
los dientes atraviesan la fruta
fácilmente, pero no la dura semilla.
De manera similar, el denso centro
de un átomo desvía muchas partículas que pasan por su parte exterior.
REPASO DE VOCABULARIO
modelo: explicación matemática, verbal
o visual de datos recolectados en muchos
experimentos
VOCABULARIO NUEVO
átomo
rayos catódicos
electrón
núcleo
protón
neutrón
Multilingual
eGlossary
• ¿Dónde se sitúan las partículas subatómicas dentro de la estructura del átomo?
El átomo
Desde Dalton, se ha demostrado la existencia de los átomos mediante
experimentos. Entonces, ¿cuál es exactamente la definición de átomo? Para
responder esta pregunta, imagina que pulverizas un anillo de oro. Los
fragmentos de polvo aún conservarían todas las propiedades del oro. Si
fuera posible, lo cual no se consigue sin un equipo especial, podrías seguir
dividiendo las partículas de polvo de oro en partículas aún más pequeñas.
Al final, tendrías una partícula indivisible, que aún conservaría las propiedades del oro. La partícula más pequeña de un elemento que conserva sus
propiedades se llama átomo.
Para hacerte una idea de su tamaño, en el año 2006 había cerca de
6.5 × 109 personas en el mundo. En comparación, una moneda de cobre
de un centavo contiene 2.9 × 1022 átomos, ¡casi cinco billones de veces la
población mundial! El diámetro de un átomo de cobre es 1.28 × 10-10 m.
Si se ponen 6.5 × 109 átomos de cobre en fila, se formaría una línea de
átomos de cobre de menos de 1 m de largo. En la Figura 4 se ilustra
otra forma de visualizar el tamaño de un átomo. Imagina que aumentas
el tamaño de un átomo para que sea tan grande como una naranja. Para
mantener la proporción entre el tamaño real del átomo y el de la naranja,
tendrías que aumentar el tamaño de la naranja para que sea tan grande
como la Tierra. Esto ilustra qué tan pequeños son los átomos.
Figura 4 Imagina que pudieras aumentar el tamaño de un átomo para que sea tan
grande como una naranja. En esta nueva escala, una naranja sería tan grande como la Tierra.
106 Capítulo 4 • Estructura del átomo
(l)©Stockdisc/PunchStock, (r)European Space Agency/Photo Researchers
QUÍMICA PARA
Observación de átomos Podrías pensar
que como los átomos son tan pequeños, no existe manera de verlos. Sin
embargo, los átomos individuales se pueden observar a través de un
microscopio de efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés). Así como en
biología necesitas un microscopio para estudiar las células, el STM te
permite estudiar los átomos. Un STM funciona de la siguiente manera:
se mueve una punta fina por encima de una muestra y la interacción de
la punta con los átomos superficiales se registra de forma electrónica.
En la Figura 5 se ilustra cómo se ven los átomos individuales a través de un
STM. Los científicos ahora pueden mover los átomos individuales para crear
formas, patrones e incluso máquinas simples. Esta capacidad ha permitido el
desarrollo de la nanotecnología, un nuevo y emocionante campo sobre
diseño molecular, o la capacidad de construir, átomo por átomo, máquinas del tamaño de moléculas. Como leerás más adelante, una molécula
es un grupo de átomos unidos entre sí y que actúan como una unidad.
Conexión
con
Biología
El electrón
Una vez los científicos estuvieron convencidos de la existencia de los
átomos, surgieron nuevas preguntas. ¿Cómo es un átomo? ¿Su composición
es uniforme, o está compuesto por partículas aún más pequeñas? Aunque
muchos científicos investigaron el átomo en el siglo XIX, algunas de
estas preguntas quedaron sin respuesta hasta casi el año 1900.
Figura 5 Esta imagen, registrada con
un STM, muestra los átomos individuales de
un ácido graso sobre una superficie de grafito.
Los colores simulados se agregaron después
para mejorar el contraste entre cada átomo.
Tubo de rayos catódicos A medida que los científicos trataban
de desentrañar el átomo, comenzaron a establecer conexiones entre la
materia y la carga eléctrica. Por ejemplo, ¿alguna vez se te ha quedado
el pelo adherido al peine? Para investigar la conexión, algunos científicos
se preguntaban cómo podría comportarse la electricidad en ausencia de
materia. Con la ayuda de la recién inventada bomba de vacío, pasaron
electricidad a través de tubos de vidrio de los que se había retirado la
mayoría del aire. Dichos tubos se llaman tubos de rayos catódicos.
En la Figura 6 se ilustra un tubo de rayos catódicos empleado por
investigadores para estudiar la relación entre masa y carga. Observa los
electrodos de metal que se encuentran en los extremos opuestos del
tubo. El electrodo conectado al polo negativo de la batería se denomina
cátodo y el electrodo conectado al polo positivo se denomina ánodo.
Figura 6 Un tubo de
rayos catódicos es un tubo
con un ánodo a un extremo y
un cátodo al otro. Cuando se
aplica un voltaje, la electricidad viaja del cátodo al ánodo.
Tubo
Cátodo (-)
Ánodo (+)
Philippe Plailly/Photo Researchers
-
Abertura conectada
a una bomba de vacío
+
Fuente
de voltaje
Sección 2 • Definición de átomo
107
Figura 7 Un diminuto agujero ubicado en el centro del ánodo produce
un delgado haz de electrones. Una cubierta de fósforo permite que se
determine la posición del haz cuando este golpea el extremo del tubo.
a Debido a que el rayo
catódico se desvía en un
campo magnético, las
partículas del rayo deben
estar cargadas.
-
+
-
S
Placas con
carga eléctrica
+
b Debido a que el rayo catódico es
desviado por un campo eléctrico
hacia la placa con carga positiva,
las partículas en el rayo deben
tener una carga negativa.
+
N
-
Imán
QUÍMICA en la vida real
Rayo catódico
TELEVISOR El televisor fue
inventado en la década de 1920. Las
imágenes de televisión convencionales
se forman cuando los rayos catódicos
chocan contra sustancias químicas que
producen luz y que recubren la parte
posterior de la pantalla del televisor.
Sir William Crookes Mientras trabajaba en un laboratorio oscuro, el físico
inglés Sir William Crookes vio un rayo de luz dentro de uno de los tubos
de rayos catódicos. Se produjo una luz verde debido a alguna forma de
radiación que chocaba contra una capa de sulfuro de cinc aplicada al
extremo del tubo. Investigaciones posteriores demostraron que había un
rayo (radiación) que pasaba por el tubo, desde el cátodo hasta el ánodo, y
se denominó rayo catódico. El descubrimiento accidental del rayo
catódico llevó a la invención del televisor. Un televisor convencional no
es más que un tubo de rayos catódicos.
Los científicos continuaron su investigacion con tubos de rayos
catódicos y a finales del siglo XIX estaban bastante convencidos de lo
siguiente:
• Los rayos catódicos eran una corriente de partículas con carga.
• Las partículas tenían una carga negativa (no se conocía el valor
exacto de la carga negativa).
Dado que cambiar el metal que conforma los electrodos o alterar el
gas (a presión muy baja) del tubo de rayos catódicos no influía en el
rayo catódico producido, los investigadores concluyeron que las partículas
negativas del rayo estaban en todos los tipos de materia. Estas partículas con
carga negativa que forman parte de todos los tipos de materia se conocen
ahora como electrones. En la Figura 7 se ven algunos de los experimentos
con los que se determinaron las propiedades del rayo catódico.
¿Entendiste?
Incluye información
de esta sección en
tu modelo de papel.
Explica cómo fue descubierto el rayo catódico.
Masa y carga del electrón A pesar de los avances logrados con
todos los experimentos del tubo de rayos catódicos, nadie tuvo éxito en
determinar la masa de una partícula simple de un rayo catódico. Al no
poder medir la masa de las partículas directamente, el físico inglés J. J.
Thomson (1856–1940) realizó una serie de experimentos con el tubo de
rayos catódicos en la Universidad de Cambridge a finales de la década de
1890 para determinar la relación de su carga con su masa.
Relación carga/masa Al medir con cuidado los efectos de los campos
magnético y eléctrico de un rayo catódico, Thomson pudo determinar
la relación carga/masa de la partícula con carga. Luego, comparó dicha
relación con otras relaciones conocidas.
108 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Thomson concluyó que la masa de la partícula con carga era mucho
menor que la de un átomo de hidrógeno, el átomo más liviano conocido.
La conclusión fue desconcertante porque significaba que había partículas
más pequeñas que el átomo. En otras palabras, Dalton estaba equivocado,
los átomos eran divisibles en partículas subatómicas más pequeñas.
Como la teoría atómica de Dalton había sido ampliamente aceptada y la
conclusión de Thomson era tan revolucionaria, muchos otros científicos
se resistieron a aceptar este nuevo descubrimiento, pero Thomson estaba
en lo cierto. Había identificado la primera partícula subatómica: el
electrón. Por este descubrimiento recibió el premio Nobel en 1906.
¿Entendiste?
Resume cómo descubrió Thomson el electrón.
Experimento de la gota de aceite y la carga de un electrón El siguiente
desarrollo significativo se produjo a comienzos de la década de 1910,
cuando el físico estadounidense Robert Millikan (1868–1953) determinó
la carga de un electrón con el aparato de la gota de aceite que se muestra en la Figura 8. En este aparato, el aceite se esparce en la cámara por
encima de las dos placas paralelas con carga. La placa superior tiene un
pequeño agujero por el que el aceite gotea. Los rayos X golpean los electrones de las partículas de aire entre las placas y estos se adhieren a las
gotas, dándoles una carga negativa. Al variar la intensidad del campo
eléctrico, Millikan pudo controlar el ritmo de caída de las gotas.
Determinó que la magnitud de la carga en cada gota se incrementaba en
múltiplos enteros del mismo número y que el denominador común más
pequeño era de 1.602 × 10-19 culombios. Identificó este número como la
carga del electrón. Esta carga se tomó luego como una unidad simple
con carga negativa, descrita como 1-; en otras palabras, un electrón
simple transporta una carga de 1-.
El montaje y la técnica experimental de Millikan fue tan eficaz que
la carga que midió hace casi cien años está dentro del 1% del valor
aceptado actualmente.
Masa de un electrón Al saber la carga del electrón y con la conocida
relación carga/masa, Millikan pudo calcular la masa de un electrón. La
siguiente ecuación muestra lo pequeña que es.
1 masa de un átomo
Masa de un
= 9.1 × 10-28 g = 1840
de hidrógeno
electrón
Fuente de rayos
ionizantes
Atomizador
(+)
Placa con
carga positiva
Figura 8 El movimiento de las gotas de
aceite dentro del aparato de Millikan depende
de la carga de las gotas y del campo eléctrico.
Millikan observó las gotas con el microscopio.
Pudo hacer que las gotas cayeran más
despacio, ascendieran o se detuvieran a
medida que modificaba la resistencia del
campo eléctrico. A partir de sus observaciones, calculó la carga en cada gota.
Microscopio
(-)
Placa con
carga negativa
Sección 2 • Definición de átomo
109
Figura 9 El modelo del pudín de pasas
del átomo de J. J. Thomson establece que el
átomo es una esfera uniforme con carga
positiva y que contiene electrones.
Materia que contiene carga
positiva distribuida
uniformemente
Electrones
-
-
-
-
-
-
-
-
-
conocimiento de algunas de sus propiedades plantearon nuevos interrogantes interesantes sobre la naturaleza de los átomos. Se sabía que la
materia es neutra, es decir, que no tiene carga eléctrica. Sabes que la
materia es neutra a partir de la experiencia cotidiana: no recibes una
descarga eléctrica cuando tocas un objeto, excepto bajo determinadas
circunstancias. Si los electrones forman parte de toda la materia y poseen
carga negativa, ¿cómo puede ser neutra toda la materia? Además, si la
masa de un electrón es tan pequeña, ¿qué sucede con el resto de la
masa de un átomo típico?
En un intento por responder estas preguntas, J. J. Thomson propuso
un modelo atómico que llegó a conocerse como el modelo del pudín de
pasas. Como puedes observar en la Figura 9, el modelo de Thomson
consistía en un átomo de forma esférica compuesto por una carga positiva
distribuida uniformemente, en la que había electrones con carga negativa.
Como leerás a continuación, el modelo del pudín de pasas del átomo no
duró mucho tiempo. En la Figura 10 se resumen los numerosos pasos
para entender la estructura del átomo.
¿Entendiste? Explica por qué el modelo de Thomson se llamó
modelo del pudín de pasas.
Figura 10
Desarrollo de la teoría
atómica actual
El conocimiento actual de las propiedades y el
comportamiento de los átomos y de las partículas
subatómicas se basa en las investigaciones de
científicos de todo el mundo durante los
últimos dos siglos.
1911 Con el experimento de la
lámina de oro, Ernest Rutherford
determina las propiedades del
núcleo, como la carga, el tamaño
relativo y la densidad.
1932 Científicos desarrollan
un acelerador de partículas que
dispara protones a núcleos de
litio, dividiéndolos en núcleos
de helio y liberando energía.
1897 Con tubos de rayos
1913 Niels Bohr publica una
1932 James
catódicos, J. J. Thomson
identifica el electrón y
determina la relación
carga/masa de un electrón.
teoría de la estructura atómica
que muestra la relación de la
disposición de los electrones en
los átomos con sus propiedades
químicas atómicas.
Chadwick
prueba la
existencia de
los neutrones.
110 Capítulo 4 • Estructura del átomo
SSPL/The Image Works
Modelo del pudín de pasas La existencia del electrón y el
Carga positiva
distribuida uniformemente
Electrones
-
-
Trayectoria de las
partículas alfa
-
-
Figura 11 Con base en el modelo de
Thomson, Rutherford esperaba que los haces de
luz de partículas alfa pasaran a través de los átomos de oro. Esperaba que solo unos pocos se
desviaran ligeramente.
-
-
El núcleo
(l)©Bettmann/Corbis, (r)CERN/Photo Researchers
En 1911, Ernest Rutherford (1871–1937) comenzó a estudiar cómo
interactuaban las partículas alfa con carga positiva (más adelante en este
capítulo leerás más sobre estas partículas radiactivas) con la materia
sólida. Con un pequeño grupo de científicos, Rutherford dirigió un
experimento para ver si las partículas alfa se desviaban a medida que
pasaban por una lámina delgada de oro.
Experimento de Rutherford En el experimento, un delgado
rayo de partículas alfa apuntaba a una delgada lámina de oro. Una
pantalla recubierta con sulfuro de cinc que rodeaba la lámina de oro
producía un destello de luz cuando chocaba contra ella una partícula
alfa. Al observar dónde ocurrían los destellos, los científicos podían
determinar si los átomos de la lámina de oro desviaban las partículas alfa.
Rutherford conocía bien el modelo atómico del pudín de pasas de
Thomson. Esperaba que las trayectorias de las masivas y veloces
partículas alfa solo se alteraran ligeramente por una colisión con un
electrón y, debido a que se creía que la carga positiva dentro de los
átomos de oro estaba distribuida uniformemente, él pensaba que esto
tampoco alteraría las trayectorias de las partículas alfa. En la Figura 11
se muestran los resultados que Rutherford esperaba del experimento.
1938 Lise Meitner,
Otto Hahn y Fritz
Straussman dividieron
átomos de uranio en un
proceso llamado fisión.
1939–1945 Científicos de
Estados Unidos y Alemania
trabajan por separado en
proyectos para desarrollar la
primera arma atómica.
1954 Se funda el
CERN, el centro de
investigación de física
nuclear más grande del
mundo, con sede en
Suiza, para estudiar la
física de las partículas.
2010 El Gran Colisionador
de Hadrones del CERN ingresa
en una nueva era al hacer chocar
rayos de protones a la más alta
energía jamás vista.
1968 Científicos
1995 Científicos descubren el quark
muestran la primera
prueba experimental de
las partículas subatómicas,
conocidas como quarks.
top (cima), último de los seis quarks
que se creía que existían. La masa del
quark top ha ayudado a los científicos a
teorizar sobre la masa de la hasta entonces
descubierta partícula del bosón de Higgs.
Sección 2 • Definición de átomo
111
Observa un video animado sobre el
experimento de la lámina de oro.
Bloque de plomo que
contiene una fuente
que emite partículas alfa
Partícula alfa
desviada a
un gran ángulo
Rayo de
partículas alfa
Lámina de oro
Pantalla recubierta
con sulfuro de cinc
La mayoría de las partículas
alfa atraviesan la lámina
con poca o ninguna desviación
Partícula alfa
desviada a un
menor ángulo
Figura 12 Durante el experimento de Rutherford, un rayo de partículas alfa fue
disparado contra una delgada lámina de oro. La mayoría de las partículas alfa atravesaron
la lámina. Sin embargo, unas pocas rebotaron, algunas a grandes ángulos.
En la Figura 12 se muestran los resultados reales observados por
Rutherford y sus colegas. Unas pocas partículas alfa se desviaron a grandes
ángulos. Varias partículas se desviaron y rebotaron hacia la fuente.
Rutherford equiparó los resultados con disparar un enorme proyectil de
artillería contra una hoja de papel y que el proyectil rebotara hacia el cañón.
Figura 13 En el modelo nuclear de
Rutherford, el átomo se compone de un
denso núcleo con carga positiva que está
rodeado por electrones negativos. Las
partículas alfa que atraviesan el núcleo solo
se desvían ligeramente. Las partículas alfa
que se aproximan directamente al núcleo
se desvían en grandes ángulos.
Infiere qué fuerza origina la
desviación de las partículas alfa.
Electrones
-
-
-
Trayectoria de las
partículas alfa
-
-
+
-
-
-
-
Núcleo
-
112 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Modelo atómico de Rutherford Rutherford concluyó que el
modelo del pudín de pasas era incorrecto porque no podía explicar los
resultados del experimento de la lámina de oro. Teniendo en cuenta las
propiedades de las partículas alfa y los electrones, al igual que la frecuencia
de las desviaciones, calculó que un átomo consistía principalmente de
un espacio vacío a través del cual se movían los electrones. También
concluyó que casi toda la carga positiva del átomo y casi toda su masa
se encontraban en una diminuta región densa en el centro del átomo,
que denominó núcleo. Los electrones con carga negativa se mantienen
dentro del átomo por su atracción al núcleo con carga positiva. En la
Figura 13 se muestra el modelo atómico nuclear de Rutherford.
Debido a que el núcleo ocupa un espacio muy pequeño y contiene la
mayoría de la masa de un átomo, es increíblemente denso. Si un núcleo
fuera del tamaño del punto de un signo de admiración, ¡su masa sería
aproximadamente la de 70 autos! El volumen del espacio por el que se
mueven los electrones es enorme en comparación con el volumen del
núcleo. El diámetro típico de un átomo es casi 10,000 veces el diámetro
del núcleo. Si un átomo tuviera el diámetro de dos campos de fútbol, el
núcleo sería del tamaño de una moneda de cinco centavos.
¿Entendiste?
Describe el modelo atómico de Rutherford.
La fuerza de repulsión producida entre el núcleo positivo y las
partículas alfa positivas produjo las desviaciones. En la Figura 13 se
ilustra cómo el modelo atómico nuclear de Rutherford explicaba los
resultados del experimento de la lámina de oro. El modelo nuclear
también explica la naturaleza neutra de la materia: la carga positiva del
núcleo equilibra la carga negativa de los electrones. Sin embargo, el
modelo aún no podía explicar toda la masa del átomo.
VOCABULARIO
USO CIENTÍFICO Y USO COMÚN
El protón y el neutrón Hacia 1920, Rutherford había perfeccionado el concepto del núcleo y concluyó que este contenía partículas
con carga positiva llamadas protones. Un protón es una partícula
subatómica que transporta una carga igual pero opuesta a la de un
electrón. Es decir, un protón tiene una carga de 1+. En 1932, el colega
de Rutherford, el físico inglés James Chadwick (1891–1974), demostró
que el núcleo también contenía otra partícula subatómica neutral,
llamada neutrón. Un neutrón es una partícula subatómica que posee
una masa casi igual a la de un protón, pero no tiene carga eléctrica. En
1935, Chadwick recibió el premio Nobel de física por probar la existencia de los neutrones.
LABORATORIO de análisis de datos
neutral
Uso científico: sin carga eléctrica
Los neutrones tienen una carga de
cero. Son partículas neutras.
Uso común: no tomar posición por
ninguna de las partes
Suiza permaneció neutral durante
la Segunda Guerra Mundial.
2(H)
Basado en datos reales*
Interpreta ilustraciones
científicas
¿Cuál es la distancia atómica aparente entre los
átomos de carbono de un material cristalino bien
definido? Para visualizar los átomos individuales, un
Research Group of Professor C. J. Zhong/SUNY-Binghamton/Supported by NSF
grupo de científicos empleó un STM para probar un
material cristalino llamado grafito pirolítico de alto
ordenamiento (HOPG, por sus siglas en inglés). Un
STM es un instrumento que registra imágenes a
escala de superficies a nivel atómico.
Datos y observaciones
La imagen muestra todos los átomos de carbono de
la capa superficial del grafito. Los anillos hexagonales,
señalados por el dibujo en la figura, constan de tres
puntos más brillantes separados por tres puntos
borrosos. Los puntos brillantes surgen de la alternancia
de átomos de carbono en la capa superficial de la
estructura del grafito. La vista transversal corresponde
a la línea trazada en la imagen. Indica la periodicidad
atómica y las distancias atómicas aparentes.
Pensamiento crítico
1. Estima la distancia entre los dos puntos
brillantes más cercanos.
2. Estima la distancia entre dos puntos contiguos
cercanos (brillante-borroso, marcados con
triángulos en la figura).
*Datos tomados de: Chaun-Jian Zhong et al. 2003. Atomic scale imaging:
a hands-on scanning probe microscopy laboratory for undergraduates.
Journal of Chemical Education 80: 194–197.
3. Enuncia ¿Qué representan los puntos negros de la
imagen?
4. Explica ¿Cuántos átomos de carbono hay en la
línea dibujada en la imagen?
Sección 2 • Definición de átomo
113
Nube de electrones
Aprende más sobre las propiedades de las partículas
subatómicas con una tabla interactiva.
Núcleo
Tabla 3
Propiedades de las partículas subatómicas
Carga
Masa Masa real (g)
Partícula Símbolo Ubicación eléctrica relativa
relativa
e-
En el espacio
que rodea al
núcleo
1-
1
1840
9.11 × 10-28
Protón
p
En el núcleo
1+
1
1.673 × 10-24
Neutrón
n
En el núcleo
0
1
1.675 × 10-24
Electrón
Protón
Neutrón
Figura 14 Los átomos están formados
por un núcleo que contiene protones y
neutrones, y está rodeado por una nube
de electrones.
Observa un video animado sobre
la estructura del átomo.
Modelo completo del átomo Todos los átomos están formados por las
tres partículas subatómicas fundamentales: el electrón, el protón y el
neutrón. Los átomos tienen forma esférica, con un núcleo pequeño y denso
de carga positiva, rodeado por uno o más electrones de carga negativa.
Gran parte del átomo consta de veloces electrones que viajan por el espacio
vacío que rodea al núcleo. Los electrones se mantienen dentro del átomo
por su atracción al núcleo con carga positiva. El núcleo, que está compuesto
por neutrones neutros (a excepción del núcleo del hidrógeno, compuesto
solo por un protón) y por protones de carga positiva, contiene toda la
carga positiva de un átomo y más del 99.97% de su masa. Este ocupa
solo cerca de una diezmilésima parte del volumen del átomo. Debido a
que un átomo es eléctricamente neutro, el número de protones en el
núcleo equivale al número de electrones que rodean al núcleo. En la
Figura 14 se muestran las características de un átomo típico y en la Tabla 3
se resumen las propiedades de las partículas subatómicas fundamentales.
La investigación de las partículas subatómicas aún es de gran interés
para los científicos de la actualidad. De hecho, los científicos han determinado que los protones y los neutrones poseen sus propias estructuras.
Están compuestos por partículas subatómicas llamadas quarks. Estas
partículas no se estudiarán en este libro de texto porque los científicos
aún no saben si estas influyen en el comportamiento químico o de qué
manera lo hacen. Como aprenderás en capítulos posteriores, el comportamiento químico se puede explicar al tener en cuenta solo los electrones
de un átomo.
¡REPÁSALO! Definición de átomo
2(G), 3(F), 6(A)
Resumen de la sección
• Un átomo es la partícula más pequeña
•
•
de un elemento que conserva las
propiedades de dicho elemento.
Los electrones tienen una carga de
1-, los protones tienen una carga de
1+ y los neutrones no tienen carga.
Un átomo consta principalmente de
espacio vacío que rodea al núcleo.
Self Check
114 Capítulo 4 • Estructura del átomo
7. IDEAPRINCIPAL Describe la estructura de un átomo típico. Identifica dónde se ubica
cada partícula subatómica.
8. Compara y contrasta el modelo atómico del pudín de pasas de Thomson
con el modelo atómico nuclear de Rutherford.
9. Evalúa los experimentos que llevaron a la conclusión de que los electrones
son partículas con carga negativa que se encuentran en toda la materia.
10. Compara la carga y la masa relativa de cada una de las partículas subatómicas.
11. Calcula ¿Cuál es la diferencia, expresada en kilogramos, entre la masa de un
protón y la masa de un electrón?
¡ÚSALO! Cuaderno de ciencias
3 En qué se diferencian los átomos
6(D) Use isotopic composition to
calculate average atomic mass of an
element. De proceso: 2(G), 2(I),
3(A)
QUÍMICA PARA
TI
Probablemente eres consciente de
que los números se usan a diario
para identificar personas y objetos.
Por ejemplo, las personas pueden
ser identificadas por su número de
Seguridad Social y las computadoras
por sus direcciones IP. Los átomos
y núcleos también se identifican con
números.
REPASO DE VOCABULARIO
tabla periódica: tabla en la que se
organizan todos los elementos conocidos
en una cuadrícula de hileras horizontales
(periodos) y columnas verticales (grupos o
familias), organizados según su número
atómico en orden ascendente
VOCABULARIO NUEVO
número atómico
isótopo
número másico
unidad de masa atómica (u)
masa atómica
Multilingual
eGlossary
IDEAPRINCIPAL
El número de protones y el número másico definen el tipo de átomo.
Preguntas esenciales
• ¿De qué manera el número atómico determina la identidad de un átomo?
• ¿Por qué las masas atómicas no son números enteros?
• Dados el número másico y el número atómico, ¿cómo se calcula el número
de electrones, protones y neutrones de un átomo?
Número atómico
Como se muestra en la tabla periódica de los elementos al final de este
libro, existen más de 110 elementos diferentes. ¿Qué diferencia al átomo
de un elemento del átomo de otro elemento?
Poco después del experimento de la lámina de oro de Rutherford, el
científico inglés Henry Moseley (1887–1915) descubrió que los átomos
de cada elemento contienen una carga positiva única en su núcleo. Así, el
número de protones los identifica como átomos de un elemento en particular.
El número de protones de un átomo es el número atómico. En la
Figura 15 se ve la información del hidrógeno en la tabla periódica. El
número 1 sobre el símbolo del hidrógeno (H) es el número de protones,
o número atómico. A la derecha de la tabla está el helio (He), con dos
protones en su núcleo, o número atómico 2. La siguiente hilera comienza
con el litio (Li), de número atómico 3, seguido por el berilio (Be), de número
atómico 4, y así sucesivamente. La tabla periódica está organizada de izquierda
a derecha y de arriba abajo en orden ascendente por número atómico.
Debido a que todos los átomos son neutros, el número de protones
y electrones de un átomo debe ser igual. Así, al saber el número atómico
de un elemento, se sabe el número de protones y de electrones que contiene
un átomo de ese elemento. Por ejemplo, un átomo de litio, de número
atómico 3, contiene tres protones y tres electrones.
Número atómico
número atómico = número de protones
= número de electrones
El número atómico de un átomo es igual a su número de protones y de electrones.
Figura 15 En la tabla
periódica, cada elemento es
representado por su nombre
químico, número atómico,
símbolo químico y masa
atómica promedio.
Determina el número
de protones y el número
de electrones de un
átomo de oro.
Hidrógeno
1
Nombre químico
H
Símbolo químico
1.008
Número atómico
Masa atómica promedio
Sección 3 • En qué se diferencian los átomos
115
PROBLEMA
A DE EJEMPLO
O
PROBLEMA de ejemplo 1
Manual de Matemáticas
NÚMERO ATÓMICO Completa la siguiente tabla:
Composición de varios elementos
a.
Elemento
Número atómico
Pb
82
b.
Protones
8
c.
1
Electrones
30
ANALIZA EL PROBLEMA
Aplica la relación entre número atómico, número de protones y número de electrones para
completar la mayoría de la tabla. Luego, identifica el elemento con la tabla periódica.
Datos
a. elemento = Pb, número atómico = 82
b. número de protones = 8
c. número de electrones = 30
2
3
Incógnita
a. número de protones (Np), número de electrones (Ne) = ?
b. elemento, número atómico (Z), Ne = ?
c. elemento, Z, Np = ?
DESPEJA LA INCÓGNITA
a. número de protones = número atómico
Np = 82
número de electrones = número de protones
Ne = 82
El número de protones y el número de electrones es 82.
Aplica la relación del número atómico.
Sustituye el número atómico = 82.
b. número atómico = número de protones
Z=8
número de electrones = número de protones
Ne = 8
El número atómico y el número de electrones es 8.
El elemento es oxígeno (O).
Aplica la relación del número atómico.
Sustituye el número de protones = 8.
c. número de protones = número de electrones
Np = 30
número atómico = número de protones
Z = 30
El número atómico y el número de protones es 30.
El elemento es cinc (Zn).
Aplica la relación del número atómico.
Sustituye el número de electrones = 30.
Consulta la tabla periódica para identificar el elemento.
Consulta la tabla periódica para identificar el elemento.
ANALIZA LA RESPUESTA
Las respuestas concuerdan con los números atómicos y símbolos de los elementos dados en la tabla periódica.
Check
PROBLEMAS para practicar
12. ¿Cuántos protones y electrones hay en cada átomo?
a. radón
b. magnesio
13. Un átomo de un elemento contiene 66 electrones. ¿Cuál es el elemento?
14. Un átomo de un elemento contiene 14 protones. ¿Cuál es el elemento?
15. Reto ¿Los átomos que se muestran en la figura de la derecha tienen
el mismo número atómico?
116 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Problemas adicionales
9e10n
9p
9n
Isótopos y número másico
Dalton se equivocó al afirmar que los átomos eran indivisibles y que
todos los átomos de un elemento eran idénticos. Todos los átomos de
un elemento tienen el mismo número de protones y electrones, pero el
número de neutrones puede variar. Por ejemplo, hay tres tipos de átomos
de potasio que existen de manera natural. Los tres contienen 19 protones
y 19 electrones. Sin embargo, un tipo de átomo de potasio contiene 20
neutrones, otro 21 y uno más 22. Los átomos con el mismo número de
protones, pero diferente número de neutrones se denominan isótopos.
Masa de los isótopos Los isótopos con más neutrones tienen más
masa. No obstante, los isótopos de un elemento tienen el mismo comportamiento químico. Como leerás más adelante, el comportamiento químico
está determinado únicamente por el número de electrones de un átomo.
Notación de los isótopos Los isótopos de un elemento se identifican con el número másico. El número másico es la suma del número
atómico (o número de protones) y el número de neutrones en el núcleo.
Número másico
número másico = número atómico + número de neutrones
El número másico de un átomo es la suma de su número atómico y su número de neutrones.
Número másico
63
29
Cu
65
29
Cu
Número atómico
Figura 16 Cu es el símbolo químico
del cobre. Este metal, que se empleó para
fabricar este gong chino, está compuesto
por 69.2% de cobre-63 y 30.8% de cobre-65.
Por ejemplo, el cobre tiene dos isótopos. El isótopo con 29 protones
y 34 neutrones tiene un número másico de 63 (29 + 34 = 63), y se
llama cobre-63, 63Cu o Cu-63. El isótopo con 29 protones y 36 neutrones
se llama cobre-65. Por lo general, los químicos representan los isótopos
con una notación que agrupa el símbolo químico, el número atómico y
el número másico, como se muestra en la Figura 16.
Abundancia natural de los isótopos En la naturaleza, la
mayoría de elementos se encuentran en forma de mezclas de isótopos.
A menudo, sin importar de dónde se obtenga la muestra de un elemento,
la abundancia relativa de cada isótopo es constante. Por ejemplo, en un
plátano, el 93.26% de los átomos de potasio tiene 20 neutrones, el 6.73%
22 neutrones y el 0.01% 21 neutrones. En otro plátano, o en una fuente
distinta de potasio, el porcentaje de composición isotópica del potasio
será la misma. En la Figura 17 se resumen los tres isótopos de potasio.
Martin Wierink/Alamy
19e-
19p
20n
19e-
19p
21n
39
19 K
Potasio-41
19
22
19
Potasio-40
19
21
19
Potasio-39
19
20
19
Protones
Neutrones
Electrones
19e-
Figura 17 El potasio tiene
tres isótopos que existen de
manera natural: potasio-39,
potasio-40 y potasio-41.
Enumera el número de
protones, neutrones y
electrones de cada isótopo
de potasio.
19p
22n
40
19 K
41
19K
Sección 3 • En qué se diferencian los átomos
117
PROBLEMA
A DE EJEMPLO
O
PROBLEMA de ejemplo 2
USO DEL NÚMERO ATÓMICO Y DEL NÚMERO MÁSICO En un laboratorio de
química se analizó la composición de los isótopos de varios elementos. En la siguiente
tabla se muestran los datos de la composición. Determina el número de protones,
electrones y neutrones del isótopo de neón. Escribe el nombre del isótopo y su símbolo.
Datos de la composición de los isótopos
1
Elemento
Número atómico
Número másico
a.
Neón
10
22
b.
Calcio
20
46
c.
Oxígeno
8
17
d.
Hierro
26
57
e.
Cinc
30
64
f.
Mercurio
80
204
ANALIZA EL PROBLEMA
En la tabla se presentan algunos datos del neón. En la tabla periódica se puede encontrar el símbolo del neón.
A partir del número atómico, se conoce el número de protones y de electrones del isótopo. El número de
neutrones del isótopo se puede hallar al restar el número atómico del número másico.
Datos
elemento: neón
número atómico = 10
número másico = 22
2
Incógnita
número de protones (Np), electrones (Ne) y neutrones (Nn) = ?
nombre del isótopo = ?
símbolo del isótopo = ?
DESPEJA LA INCÓGNITA
número de protones = número atómico = 10
número de electrones = número atómico = 10
número de neutrones = número másico - número atómico
Nn = 22 - 10 = 12
El nombre del isótopo es neón-22.
El símbolo del isótopo es
3
22
10 Ne.
Aplica la relación del número atómico.
Usa el número atómico y el número másico para
calcular el número de neutrones.
Sustituye el número másico = 22 y el número atómico = 10
Escribe el nombre del isótopo a partir del nombre del
elemento y el número másico.
Escribe la notación simbólica del isótopo a partir del
símbolo químico, el número másico y el número atómico.
ANALIZA LA RESPUESTA
La relación entre el número de electrones, protones y neutrones se aplicó correctamente. El nombre y el símbolo
del isótopo están en el formato correcto. Para aprender más sobre el neón, consulta el Manual de los elementos.
Check
PROBLEMAS para practicar
Problemas adicionales
16. Determina el número de protones, electrones y neutrones de los isótopos b a f de la
tabla anterior. Escribe el nombre de cada isótopo y su símbolo.
17. Reto Un átomo tiene un número másico de 55. Su número de neutrones es la suma
de su número atómico y cinco. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene este
átomo? ¿Cuál es la identidad de este átomo?
118 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Tabla 4
Masa de las partículas subatómicas
Partícula
Masa (u)
Electrón
0.000549
Protón
1.007276
Neutrón
1.008665
Masa de los átomos
Recuerda de la Tabla 3 que tanto la masa de los protones como la de
los neutrones es aproximadamente de 1.67 × 10 -24 g. Si bien esta es
una masa pequeña, la masa de un electrón es incluso más pequeña, de
solo cerca de 1/1840 la de un protón o un neutrón.
Unidad de masa atómica Dado que trabajar con estas masas
extremadamente pequeñas expresadas en notación científica resulta difícil,
los químicos desarrollaron un método para medir la masa de un átomo
en relación con la masa de un estándar atómico específico, el átomo de
carbono-12. Los científicos asignaron al átomo de carbono-12 una masa
de exactamente 12 unidades de masa atómica. Así, una unidad de masa
atómica (u) se define como un doceavo de la masa de un átomo de
carbono-12. Aunque una masa de 1 u es casi igual a la de un protón o un
neutrón, es importante anotar que los valores son ligeramente diferentes. En
la Tabla 4 se dan las masas de las partículas subatómicas en términos de u.
VOCABULARIO
VOCABULARIO ACADÉMICO
específico
que se caracteriza por la formulación precisa o la restricción exacta
Algunas enfermedades presentan
síntomas específicos.
Masa atómica Debido a que la masa de un átomo depende principalmente del número de protones y neutrones que contiene, y dado
que los protones y neutrones tienen una masa cercana a 1 u, es de
esperar que la masa atómica de un elemento sea siempre cercana a un
número entero. Sin embargo, este no suele ser el caso. La explicación
tiene que ver con cómo se define la masa atómica. La masa atómica
de un elemento es la media ponderada de la masa de los isótopos de
dicho elemento. Como los isótopos tienen masas diferentes, la media
ponderada no es un número entero. En la Figura 18 se ilustra el cálculo
de la masa atómica del cloro.
Aprende más sobre la decodificación de la
tabla periódica.
Virtual Investigation
Figura 18 Para calcular la media ponderada de la masa atómica del cloro, primero
debes calcular la contribución de masa de cada isótopo.
Pide ayuda para calcular una media
ponderada.
Cálculo de la media ponderada de la masa atómica del cloro
17e-
17p
18n
35
17 CI
17e-
Masa atómica: 34.969 u
Porcentaje de abundancia: 75.78%
Contribución de masa:
(34.969 u)(75.78%) = 26.50 u
17p
20n
37
17 CI
Masa atómica: 36.966 u
Porcentaje de abundancia: 24.22%
Contribución de masa:
(36.966 u)(24.22%) = 8.953 u
Media ponderada de la masa atómica del cloro = (26.50 u + 8.953 u) = 35.45 u
Sección 3 • En qué se diferencian los átomos
119
El cloro se presenta de forma natural como una mezcla de cerca de un
76% de cloro-35 y un 24% de cloro-37. Tiene una masa atómica de 35.453 u.
Debido a que la masa atómica es una media ponderada, los átomos de
cloro-35, que existen en mayor abundancia que los átomos de cloro-37,
tienen una mayor influencia para determinar la masa atómica. La masa
atómica del cloro se calcula al multiplicar el porcentaje de abundancia
de cada isótopo por su masa atómica y sumando luego los productos. El
proceso es similar a calcular una calificación promedio. Puedes calcular
la masa atómica de cualquier elemento si sabes el número de isótopos
que existen de forma natural, sus masas y sus porcentajes de abundancia.
¿Entendiste?
Explica cómo calcular la masa atómica.
Abundancias de isótopos Al analizar la masa de un elemento
océano y de los lagos salados. El área del
mar Muerto en Israel es uno de los mayores
sitios de producción de bromo en el mundo.
El bromo se puede utilizar para controlar los
microbios y las algas en las piscinas. También
se emplea en medicamentos, aceites, pinturas,
pesticidas y retardantes de combustión.
Minilaboratorio
se puede establecer su isótopo más abundante. Por ejemplo, la masa
atómica del flúor (F) es extremadamente cercana a 19 u. Si este tuviera
varios isótopos muy abundantes, probablemente su masa atómica no
sería tan cercana a un número entero. Así, podrías concluir que todo el
flúor que existe de forma natural probablemente se encuentra en forma
19
de flúor-19 ( 9F). En efecto, el 100% del flúor que existe de forma natural
se encuentra en esta forma. Si bien este tipo de razonamiento por lo
general funciona bien, no es infalible. Por ejemplo, la masa atómica del
bromo (Br) es de 79.904 u. Con una masa tan cercana a 80 u, parece
probable que el bromo-80 sea el isótopo de bromo más común. Sin
embargo, los dos isótopos de bromo son bromo-79 (78.918 u, 50.69%) y
bromo-81 (80.917 u, 49.31%). No existe el bromo-80. En la Figura 19 se
ve uno de los mayores sitios de producción de bromo, ubicado cerca
del mar Muerto. Consulta el Manual de los elementos para aprender
más sobre el cloro, el flúor y el bromo.
Representa isótopos
¿Cómo puedes calcular la masa atómica de un
elemento con el porcentaje de abundancia de
sus isótopos? Dado que tienen composiciones
diferentes, las monedas de un centavo acuñadas antes
y después de 1982 sirven para representar un elemento
con dos isótopos que existen de forma natural. Con los
datos de las monedas, puedes determinar la masa de
sus isótopos y la masa promedio de una moneda.
Procedimiento
1. Lee y completa el formulario de seguridad en el
laboratorio.
2. Tu maestro te dará una bolsa con monedas de un
centavo. Clasifícalas por fecha en dos grupos: antes
y después de 1982. Cuenta y anota la cantidad total
de monedas y el número en cada grupo.
3. Con una balanza, determina la masa de 10 monedas
de cada grupo y anota los valores redondeando a la
centésima más cercana. Divide la masa total de cada
grupo entre 10 para determinar la masa promedio de
las monedas acuñadas antes y después de 1982.
120 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Lab
2(G), 2(I), 3(A), 6(D)
Análisis
1. Calcula el porcentaje de abundancia de cada
grupo con los datos del paso 2. Para hacerlo,
divide el número de monedas de cada grupo
entre el total de monedas.
2. Determina la masa atómica de una moneda con
el porcentaje de abundancia de cada “isótopo” y
con los datos del paso 3. Para hacerlo, realiza la
siguiente ecuación:
contribución de masa = (% de abundancia)(masa)
Calcula las contribuciones de masa para determinar
la masa atómica. Recuerda que el porcentaje de
abundancia es un porcentaje.
3. Infiere si la masa atómica sería diferente si tuvieras
otra bolsa de monedas que contienen una mezcla
diferente de monedas acuñadas antes y después
de 1982. Explica tu respuesta.
4. Explica por qué la masa promedio de cada tipo
de moneda se determinó a partir de 10 monedas
en lugar de medir y usar la masa de una sola
moneda de cada grupo.
Eitan Simanor/Alamy
Figura 19 El bromo se extrae del
PROBLEMA de ejemplo 3
ANALIZA EL PROBLEMA
1
Calcula la masa atómica y confírmala con la tabla periódica.
Datos
Incógnita
6X: masa = 6.015 u
masa atómica de X = ? u
abundancia = 7.59% = 0.0759
7X: masa = 7.016 u
elemento X = ?
abundancia = 92.41% = 0.9241
Abundancia de isótopos del elemento X
Isótopo
Masa (u)
Porcentaje de
abundancia
6X
6.015
7.59%
7X
7.016
92.41%
DESPEJA LA INCÓGNITA
2
6X:
contribución de masa = (masa)(porcentaje de abundancia)
contribución de masa = (6.015 u)(0.0759) = 0.456 u
7X: contribución de masa = (masa)(porcentaje de abundancia)
contribución de masa = (7.016 u)(0.9241) = 6.483 u
masa atómica de X = (0.4565 u + 6.483 u) = 6.939 u
El elemento con una masa cercana a 6.939 u es el litio (Li).
Calcula la contribución de las 6X.
Sustituye la masa = 6.015 u y la abundancia = 0.0759.
PROBLEMA DE EJEMPLO
CÁLCULO DE LA MASA ATÓMICA De acuerdo con los datos de la tabla, calcula la
masa atómica del elemento desconocido X. Luego, identifica el elemento desconocido,
que se usa como medicamento para tratar algunos trastornos mentales.
Calcula la contribución de las 7X.
Sustituye la masa = 7.016 u y la abundancia = 0.9241.
Suma las contribuciones de masa para hallar la masa atómica.
Identifica el elemento con la tabla periódica.
EVALÚA LA RESPUESTA
3
El resultado del cálculo concuerda con la masa atómica dada en la tabla periódica. La masa de los
isótopos tiene cuatro cifras significativas, de modo que la masa atómica también se expresa mediante
cuatro cifras significativas. Consulta el Manual de los elementos para aprender más sobre el litio.
Check
PROBLEMAS para practicar
Problemas adicionales
18. El boro (B) tiene dos isótopos que existen de forma natural: boro-10 (abundancia = 19.8%,
masa = 10.013 u) y boro-11 (abundancia = 80.2%, masa = 11.009 u). Calcula la masa
atómica del boro.
19. Reto El nitrógeno tiene dos isótopos que existen de forma natural, N-14 y N-15. Su masa
atómica es 14.007. ¿Cuál es el isótopo más abundante? Explica tu respuesta.
¡REPÁSALO! En qué se diferencian los átomos
2(G), 6(D)
Resumen de la sección
20.IDEAPRINCIPAL Explica cómo se define un tipo de átomo.
• El número atómico de un átomo está
21. Recuerda ¿Cuál de las partículas subatómicas identifica un átomo como
el de un elemento en particular?
•
•
dado por su número de protones. El
número másico de un átomo es la
suma de sus neutrones y protones.
Los átomos del mismo elemento con
diferente número de neutrones se
denominan isótopos.
La masa atómica de un elemento es la
media ponderada de las masas de todos
sus isótopos que existen naturalmente.
22. Explica cómo se relaciona la existencia de isótopos con el hecho de que
las masas atómicas no son números enteros.
23. Calcula El cobre tiene dos isótopos: Cu-63 (abundancia = 69.2%,
masa = 62.930 u) y Cu-65 (abundancia = 30.8%, masa = 64.928 u).
Calcula la masa atómica del cobre.
24. Calcula Tres isótopos de magnesio tienen masas atómicas y abundancias
relativas de 23.985 u (78.99%), 24.986 u (10.00%) y 25.982 u (11.01%).
Calcula la masa atómica del magnesio.
Self Check
Sección 3 • En qué se diferencian los átomos
121
¡ÚSALO! Cuaderno de ciencias
4 Núcleos inestables y desintegración radiactiva
12(A) Describe the characteristics of
alpha, beta, and gamma radiation.
De proceso: 3(F)
IDEAPRINCIPAL
Los átomos inestables emiten radiación para ganar estabilidad.
Preguntas esenciales
QUÍMICA PARA
TI
Intenta arrojar una piedra desde la
altura de tu cintura. La piedra pasa
de un estado mayor de energía en
la cintura a un estado menor de
energía en el suelo. Un proceso
similar ocurre con los núcleos en
un estado inestable.
REPASO DE VOCABULARIO
elemento: sustancia pura que no puede
separarse en sustancias más simples por
medios físicos o químicos
VOCABULARIO NUEVO
radiactividad
radiación
reacción nuclear
desintegración radiactiva
radiación alfa
partícula alfa
ecuación nuclear
radiación beta
partícula beta
rayo gamma
Multilingual
eGlossary
• ¿Cuál es la relación entre los núcleos inestables y la desintegración radiactiva?
• ¿Cómo se caracterizan las radiaciones alfa, beta y gamma en términos de masa y carga?
Radiactividad
Recuerda que una reacción química es el cambio de una o más sustancias
en otras nuevas e involucra solo los electrones de un átomo. Aunque los
átomos podrían ser redistribuidos, su identidad se mantiene. Otro tipo de
reacción, la nuclear, puede hacer que un elemento se transforme en otro.
Reacciones nucleares A finales de la década de 1890, los científicos
observaron que algunas sustancias emitían radiación espontánea en un
proceso que denominaron radiactividad. Se llamó radiación a los
rayos y partículas emitidos por el material radiactivo. Los científicos
descubrieron que los átomos radiactivos experimentan cambios que
pueden alterar su identidad. Una reacción que implica un cambio en el
núcleo de un átomo se llama reacción nuclear. El descubrimiento de
estas reacciones supuso un gran adelanto, ya que antes ninguna reacción
química había llevado a la formación de nuevas clases de átomos.
Los átomos radiactivos emiten radiación porque sus núcleos son inestables. Los sistemas inestables, ya sea átomos o personas parándose de manos,
como se ve en la Figura 20, ganan estabilidad al perder energía.
Desintegración radiactiva Los núcleos inestables pierden energía
al emitir radiación en un proceso espontáneo llamado desintegración
radiactiva. Los átomos inestables experimentan desintegración radiactiva hasta que forman átomos estables, por lo general de un elemento
diferente. Así como una piedra pierde energía potencial gravitatoria y
alcanza un estado estable al caer al suelo, un átomo puede perder
energía y alcanzar un estado estable cuando emite radiación.
Image Source/Getty Images
Figura 20 Pararse de manos es estar
en una posición inestable. Al igual que los
átomos inestables, quienes se paran de
manos regresarán a un estado más estable
poniéndose de pie, al perder energía
potencial.
122 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Tipos de radiación
A finales del siglo XIX los científicos empezaron a investigar la radiactividad.
Investigaron el efecto de los campos eléctricos en la radiación. Al dirigir
la radiación entre dos placas con carga eléctrica desde una fuente radiactiva,
los científicos pudieron identificar tres tipos de radiación con base en su
carga eléctrica. Como se muestra en la Figura 21, la radiación se desvió hacia
la placa con carga negativa, la placa con carga positiva o hacia ninguna.
Radiación alfa La radiación que se desvió hacia la placa con carga
negativa se denominó radiación alfa. Está compuesta por partículas
alfa. Una partícula alfa contiene dos protones y dos neutrones y, por
tanto, tiene una carga 2+, lo que explica por qué las partículas alfa son
atraídas hacia la placa con carga negativa, como se muestra en la Figura 21.
Una partícula alfa equivale a un núcleo de helio-4 y su símbolo es 42He
o α. A continuación se muestra la desintegración alfa del radio-226
radiactivo en radón-222.
226
88Ra
radio-226
222
86Rn
→
+
radón-222
PROFESIONES
EN QUÍMICA
Maestro de química Los maestros
de química trabajan en escuelas
secundarias y universidades. Dictan
conferencias, conducen debates,
llevan a cabo experimentos, supervisan el trabajo en el laboratorio y
dirigen trabajos de campo. Los
maestros de escuelas secundarias
también podrían monitorear salas de
estudio y ayudar en comités. Los
instructores universitarios podrían
hacer investigaciones y publicarlas.
WebQuest
α
partícula alfa
Observa que un nuevo elemento, el radón (Rn), se crea como
resultado de la desintegración alfa del núcleo inestable del radio-226. El
tipo de ecuación anterior se conoce como ecuación nuclear, donde se
muestran los números atómicos y los números másicos de las partículas
involucradas. El número másico se conserva en las ecuaciones nucleares.
Radiación beta La radiación que se desvió hacia la placa con carga
positiva se denominó radiación beta. Esta radiación consta de veloces
partículas beta. Cada partícula beta es un electrón con una carga 1-. La
carga negativa de la partícula beta explica por qué es atraída hacia la placa
con carga positiva que se muestra en la Figura 21. Las partículas beta se
representan mediante el símbolo β o e-. A continuación se muestra la
desintegración beta del carbono-14 en nitrógeno-14. Con la desintegración
beta del inestable carbono-14 se crea un nuevo átomo, el nitrógeno (N).
14
6C
carbono-14
→
14
7N
nitrógeno-14
+
β
partícula beta
Placa positiva
Bloque de plomo
Agujero
Figura 21 Un campo eléctrico desviará la
radiación en direcciones diferentes, dependiendo
de la carga eléctrica de la radiación.
Explica por qué las partículas beta
se desvían hacia la placa con carga
positiva, las partículas alfa hacia la
placa con carga negativa y los rayos
gamma no se desvían.
Partículas
beta (carga 1-)
+
Rayos gamma
(sin carga)
Fuente
radiactiva
Observa un video animado sobre
la desviación de la radiación.
β
Placa negativa
Partículas
alfa (carga 2+)
γ
α
Pantalla recubierta
con sulfuro de cinc
Sección 4 • Núcleos inestables y desintegración radiactiva
123
Tabla 5
Características de la radiación
Alfa
4
2He
Símbolo
oα
Beta
Gamma
e- o β
γ
Masa (u)
4
1
1840
0
Masa (kg)
6.65 × 10 -27
9.11 × 10 -31
0
2+
1-
0
Carga
Radiación gamma El tercer tipo común de radiación es la radiación
gamma, o rayos gamma. Un rayo gamma es una radiación de alta energía
que no tiene masa y se denota por el símbolo γ. Al ser neutrales, los
rayos gamma no son desviados por los campos eléctricos ni magnéticos.
Por lo general, acompañan a la radiación alfa y beta, y constituyen la mayor
cantidad de pérdida de energía durante las desintegraciones radiactivas.
Por ejemplo, los rayos gamma acompañan la desintegración alfa del
uranio-238.
238
92U
uranio-238
→
234
90Th
torio-234
+
α
+
partícula alfa
2γ
rayos gamma
Como los rayos gamma no tienen masa, la emisión de rayos gamma por sí
misma no puede dar paso a la formación de un nuevo átomo. En la Tabla 5
se resumen las características básicas de las radiaciones alfa, beta y gamma.
Estabilidad nuclear El factor primordial para determinar la estabilidad
de un átomo es su relación de neutrones a protones. Los átomos que
contienen muchos neutrones o muy pocos son inestables y pierden energía
a través de la desintegración radiactiva hasta formar un núcleo estable.
Emiten partículas alfa y beta, y estas emisiones influyen en la relación
de neutrones a protones del núcleo recién formado. Al final, los átomos
radiactivos experimentan suficiente desintegración radiactiva para formar
átomos estables no radiactivos. Este tema se tratará más adelante en el libro.
¡REPÁSALO! Núcleos inestables y desintegración radiactiva
12(A)
Resumen de la sección
25.IDEAPRINCIPAL Explica cómo ganan estabilidad los átomos inestables.
• Las reacciones químicas implican
26. Establece las cantidades que se conservan al balancear una reacción nuclear.
cambios en los electrones de un átomo.
Las reacciones nucleares implican
cambios en el núcleo de un átomo.
• Existen tres tipos de radiación: alfa
•
(carga de 2+), beta (carga de 1-) y
gamma (sin carga).
La relación de neutrones a protones
en el núcleo de un átomo determina
su estabilidad.
Self Check
124 Capítulo 4 • Estructura del átomo
27. Clasifica cada una de las siguientes como reacción química, reacción nuclear
o ninguna.
a. El torio emite una partícula beta.
b. Dos átomos comparten electrones para formar un enlace.
c. Una muestra de azufre puro emite energía calórica a medida que se enfría
lentamente.
d. Un trozo de hierro se oxida.
28. Calcula ¿Qué tanto más pesada es una partícula alfa con relación a un electrón?
29.Elabora una tabla en la que se muestre cómo influye cada tipo de radiación en el
número atómico y el número másico de un átomo.
ENFOQUE
3(F), 6(A)
Enfoque experimental de Dalton
¿Qué sucedió para que John Dalton retomara una idea
que los griegos habían rechazado hacía más de dos
mil años? Los resultados experimentales. Además de
estudiar los resultados experimentales de otros, Dalton,
en la Figura 1, llevó a cabo sus propios experimentos.
Muchos de los experimentos de Dalton incluían un
aparato, como el montaje que se muestra en la Figura 2,
para recolectar los productos gaseosos de las reacciones. En un experimento, combinó diferentes volúmenes
de monóxido de nitrógeno (NO) con un volumen dado de
aire. Cuando Dalton combinó 36 unidades de volumen de
monóxido de nitrógeno con 100 unidades de volumen
de aire, ocurrieron cambios químicos, y el volumen general
terminó siendo de 79 unidades de volumen. El monóxido
de nitrógeno había reaccionado con el oxígeno (O2) en
el aire en presencia de agua hasta lograr un producto
no gaseoso: ácido nítrico (HNO3).
Figura 1 A Dalton se le debe el desarrollo de la teoría atómica actual
con base en los resultados de la investigación y la experimentación.
(t)World History Archive/Alamy, (b)Hulton Archive/Getty Images
Luego, cuando Dalton duplicó el volumen de monóxido de
nitrógeno a 72 unidades y lo combinó con 100 unidades
de volumen de aire en presencia de agua, los cambios
químicos fueron diferentes. Aunque el volumen general
aún era de 79 unidades, los análisis reflejaron que se
había formado una sustancia diferente: ácido nitroso
(HNO2).
En ambos experimentos, cuando los gases se combinaron,
el monóxido de nitrógeno reaccionó completamente con
el oxígeno presente en el aire. En cada caso, el volumen
del gas se redujo a un 79% de su volumen original debido
a que un 21% del aire era gas oxígeno y el nuevo material
que se formó no estaba en forma gaseosa. Dalton se dio
cuenta de que una cantidad dada de oxígeno podía
combinarse con una cantidad específica de monóxido de
nitrógeno, o con el doble de esa cantidad, pero no con
ninguna cantidad intermedia. En el primer caso, se
produce ácido nítrico; en el segundo caso, ácido nitroso.
A través de este y muchos otros experimentos similares,
Dalton concluyó que los gases estaban conformados por
átomos que se podían combinar en múltiples proporciones
de números enteros. Dalton resumió sus resultados en
documentos que sometió a una sociedad de sus colegas
científicos. En estos documentos describió la ley de las
proporciones múltiples y propuso una teoría atómica
para explicar sus observaciones. El proceso científico
estaba trabajando a medida que nuevas ideas sobre la
composición de la materia comenzaban a tomar forma.
Figura 2 John Dalton recolectó gases sobre agua en recipientes como
el que se muestra en la imagen.
Investiga sobre TEXAS
Debate En la década de 1980, se planificó construir el
Supercolisionador superconductor cerca de Waxahachie,
Texas. Los científicos esperaban que esta instalación
sirviera para obtener mayor información sobre la
naturaleza del átomo. Escribe un breve ensayo sobre
este colisionador. Asegúrate de incluir lo siguiente:
a) Compara y contrasta el trabajo realizado en las
instalaciones actuales de colisionadores y los primeros
experimentos de Dalton. b) ¿Por qué no se construyó
el Supercolisionador? c) Argumenta a favor o en contra
de la cancelación del proyecto.
Capítulo 4 • Estructura del átomo
125
LABORATORIO de química
2(H), 2(I), 3(A)
Lab
Representa la masa atómica
Información previa: La mayoría de los elementos en la
naturaleza se presentan como una mezcla de isótopos. La
media ponderada de la masa atómica de un elemento se puede
determinar a partir de la masa atómica y de la abundancia
relativa de cada isótopo. En esta actividad, representarás los
isótopos del elemento imaginario “esnaquio”. Las mediciones que
hagas servirán para calcular una media ponderada de masa que
represente la masa atómica promedio del esnaquio.
Pregunta: ¿Cómo se calculan las masas atómicas
de las mezclas de isótopos naturales?
Materiales
balanza
calculadora
bolsa con diferentes pasabocas
Precauciones de seguridad
ADVERTENCIA: No consumas los alimentos
empleados en el laboratorio.
Procedimiento
1. Lee y completa el formulario de seguridad
en el laboratorio.
2. Elabora una tabla para anotar los datos. La tabla
debe incluir la masa y la abundancia de cada tipo
de pasabocas presente en la mezcla.
3. Abre la bolsa con los pasabocas. Manipúlalos con
cuidado.
4. Agrupa los pasabocas de acuerdo al tipo.
5. Cuenta los pasabocas de cada uno de los grupos.
6. Anota en la tabla la cantidad de pasabocas de cada
grupo y la cantidad total de pasabocas.
7. Mide la masa de un pasabocas de cada grupo y anota
el resultado en la tabla de datos.
8. Limpia y desecha Sigue las instrucciones de tu
maestro para desechar los pasabocas. Vuelve a guardar
el equipo de laboratorio donde corresponde.
Analiza y concluye
2. Calcula Con el porcentaje de abundancia de isotópos
de los pasabocas y la masa, calcula la media ponderada
de la masa atómica de tu elemento: el esnaquio.
3. Interpreta Explica por qué la media ponderada de
la masa atómica del elemento esnaquio no es igual
a la masa de ninguno de los pasabocas.
4. Revisión por pares Recopila los datos de la masa
atómica promedio de otros grupos de laboratorio.
Explica las diferencias entre tus datos y los de los
demás grupos.
5. Aplica ¿Por qué las masas atómicas de la tabla
periódica no están expresadas en números enteros
como el número másico de un elemento?
6. Investiga Busca en un libro de química de referencia
para determinar si todos los elementos de la tabla
periódica tienen isótopos. ¿Cuál es el promedio de
isótopos que tienen los elementos químicos?
7. Análisis de error ¿Qué fuentes de error pueden
haber llevado a los grupos de laboratorio a obtener
valores finales diferentes? ¿Qué modificaciones podrías
hacer en esta investigación para reducir el margen de
error?
1. Calcula Halla el porcentaje de abundancia de los
pasabocas al dividir el número total de pasabocas
en cada grupo entre la cantidad total de pasabocas.
Predice Con base en tu experiencia en este laboratorio, busca en la tabla periódica la masa atómica de
varios elementos y predice el isótopo más abundante
de uno de ellos.
126 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Janet Horton Photography
AMPLIACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
CAPÍTULO 4
LAGRAN IDEA
SECCIÓN 1
GUÍA DE ESTUDIO
Los átomos son el componente básico de la materia.
Primeras ideas sobre la materia
IDEAPRINCIPAL Los antiguos griegos trataron de explicar la materia, pero el estudio científico del átomo comenzó
con John Dalton a principios del siglo XIX.
• Demócrito fue el primero en plantear la existencia de los átomos.
• De acuerdo con Demócrito, los átomos son sólidos, homogéneos e indivisibles.
• Aristóteles no creía en la existencia de los átomos.
• La teoría atómica de Dalton se basa en numerosos experimentos científicos.
SECCIÓN 2
• teoría atómica
de Dalton
Definición de átomo
VOCABULARIO
IDEAPRINCIPAL Un átomo está compuesto por un núcleo que contiene protones y neutrones; los electrones
se mueven alrededor del núcleo.
• Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las propiedades
de dicho elemento.
• Los electrones tienen una carga de 1-, los protones tienen una carga de 1+ y los neutrones
no tienen carga.
• Un átomo consta principalmente de espacio vacío que rodea al núcleo.
SECCIÓN 3
VOCABULARIO
• átomo
• rayos catódicos
• electrón
• núcleo
• protón
• neutrón
En qué se diferencian los átomos
VOCABULARIO
IDEAPRINCIPAL El número de protones y el número másico definen el tipo de átomo.
• El número atómico de un átomo está dado por su número de protones. El número másico
de un átomo es la suma de sus neutrones y protones.
• número atómico
• isótopo
• número másico
• unidad de masa
atómica (u)
• masa atómica
número atómico = número de protones = número de electrones
número másico = número atómico + número de neutrones
• Los átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones se denominan isótopos.
• La masa atómica de un elemento es la media ponderada de las masas de todos sus isótopos
que existen naturalmente.
SECCIÓN 4
Núcleos inestables y desintegración radiactiva
IDEAPRINCIPAL Los átomos inestables emiten radiación para ganar estabilidad.
• Las reacciones químicas implican cambios en los electrones de un átomo.
Las reacciones nucleares implican cambios en el núcleo de un átomo.
• Existen tres tipos de radiación: alfa (carga de 2+), beta (carga de 1-), y gamma (sin carga).
• La relación de neutrones a protones en el núcleo de un átomo determina su estabilidad.
VOCABULARIO
• radiactividad
• radiación
• reacción nuclear
• desintegración
radiactiva
• radiación alfa
• partícula alfa
• ecuación nuclear
• radiación beta
• partícula beta
• rayo gamma
Capítulo 4 • Guía de estudio
127
EVALUACIÓN
CAPÍTULO 4
44. Explica por qué los átomos son eléctricamente neutros.
SECCIÓN 1
45. ¿Cuál es la carga del núcleo del elemento 89?
Dominio de los conceptos
30. ¿Quién planteó por primera vez el concepto de que la
materia se compone de partículas diminutas e indivisibles?
31. ¿El trabajo de quién es reconocido por ser el comienzo
de la teoría atómica actual?
32. Establece las diferencias entre las ideas de Demócrito
y la teoría atómica de Dalton.
33. Ideas y métodos científicos ¿La propuesta de
Demócrito sobre la existencia de los átomos estaba
basada en métodos científicos o ideas? Explica tu
respuesta.
34. Explica por qué Demócrito no pudo verificar sus ideas
de forma experimental.
46. ¿Qué partículas representan la mayor parte de la masa
de un átomo?
47. Si pudieras determinar la masa de un protón con una
balanza, ¿cuántos electrones necesitarías pesar en la misma
balanza para medir una masa igual a la de un protón?
48. Tubo de rayos catódicos ¿Qué partícula subatómica
fue descubierta por los investigadores que trabajaban
con tubos de rayos catódicos?
49. ¿Qué resultados experimentales llevaron a la conclusión de
que los electrones eran parte de todos los tipos de materia?
Tubo lleno de gas
a baja presión
Rayo catódico
35. ¿Cuál fue la objeción de Aristóteles a la teoría atómica?
36. Expón con tus propias palabras los puntos principales
de la teoría atómica de Dalton. ¿Qué partes de la teoría
de Dalton resultaron ser erróneas? Explica por qué.
37. Conservación de la masa Explica de qué manera la
teoría atómica de Dalton planteó una explicación
convincente de la observación de que la masa se
conserva en las reacciones químicas.
38. Define qué es materia y aporta dos ejemplos cotidianos.
Cátodo
+
Ánodo
Figura 23
50. Rayo catódico Con los elementos rotulados en la
Figura 23 explica la dirección de un rayo catódico
dentro de un tubo de rayos catódicos.
51. Explica brevemente cómo descubrió Rutherford el núcleo.
SECCIÓN 2
Dominio de los conceptos
39. ¿Qué partículas se encuentran en el núcleo de un
átomo? ¿Cuál es la carga del núcleo?
40. ¿Cómo estaba distribuida la carga total en el modelo del
pudín de pasas?
41. ¿De qué manera la distribución de cargas en el modelo
del pudín de pasas influía en las partículas alfa que
pasaban a través de un átomo?
a
b
c
52. Desviación de partículas ¿Qué causó la desviación
de las partículas alfa en el experimento de la lámina
de oro de Rutherford?
53. Carga de rayos catódicos ¿Cómo se determinó la
carga de un rayo catódico con un campo eléctrico?
54. Explica qué mantiene a los electrones confinados
en el espacio que rodea al núcleo.
55. ¿Cuál es el tamaño aproximado de un átomo?
56. Visualización de átomos ¿Qué técnica se puede
emplear para visualizar átomos individuales?
57. ¿Cuáles son las fortalezas y debilidades del modelo
atómico nuclear de Rutherford?
SECCIÓN 3
Dominio de los conceptos
Figura 22
42. Rotula las partículas subatómicas que se muestran en la
Figura 22.
43. Organiza las siguientes partículas subatómicas de menor a
mayor masa: neutrón, electrón y protón.
128 Capítulo 4 • Estructura del átomo
58. ¿En qué se parecen y se diferencian los isótopos
de un elemento determinado?
59. ¿Qué relación tiene el número atómico de un átomo
con su número de protones y electrones?
60. ¿Qué relación tiene el número másico con el número
de protones y neutrones de un átomo?
61. ¿Cómo puedes determinar el número de neutrones de un
átomo a partir de su número másico y su número atómico?
62. ¿Qué representan el superíndice y el subíndice en la
40
K?
notación 19
63. Unidades estándar Define la unidad de masa atómica.
¿Cuáles fueron los beneficios de desarrollar la unidad de
masa atómica como una unidad estándar de masa?
24
25
64. Isótopos ¿Son 12
Mg, 12
Mg y
Explica tu respuesta.
26
12 Mg
isótopos entre sí?
65. ¿La existencia de isótopos contradice parte de la teoría
atómica original de Dalton? Explica tu respuesta.
Dominio de los conceptos
66. ¿Cuántos protones y electrones contiene un átomo del
elemento 44?
67. Carbono El número másico de un átomo de carbono es
12 y el número atómico es 6. ¿Cuántos neutrones tiene?
68. Mercurio Un isótopo de mercurio tiene 80 protones
y 120 neutrones. ¿Cuál es su número másico?
75. Determina el número de protones y electrones de un
átomo de cada elemento.
a. V
c. Ir
b. Mn
d. S
76. El galio, que tiene una masa atómica de 69.723 u, tiene
dos isótopos que existen de forma natural: Ga-69 y Ga-71.
¿Qué isótopo existe en mayor abundancia? Explica.
77. Masa atómica de la plata La plata tiene dos isótopos:
107
47 Ag , que tiene una masa de 106.905 u y un porcentaje de abundancia de 52.00%; y 109
47 Ag , que tiene una
masa de 108.905 u y un porcentaje de abundancia de
48.00%. ¿Cuál es la masa atómica de la plata?
78. En la Tabla 7 se registran los datos de los cuatro
isótopos del cromo que existen de forma natural.
Calcula la masa atómica del cromo.
Tabla 7 Datos de los isótopos del cromo
Isótopo
Porcentaje de abundancia
Masa (u)
Cr-50
4.35
49.946
69. Xenón El número atómico de un isótopo de xenon es
54 y contiene 77 neutrones. ¿Cuál es el número másico
del isótopo de xenón?
Cr-52
83.79
51.941
Cr-53
9.50
52.941
70. Si un átomo tiene 18 electrones, ¿cuántos protones tiene?
Cr-54
2.36
53.939
71. Azufre Determina la masa atómica del azufre de acuerdo
a los siguientes isótopos que existen de forma natural:
32
16S
33
(31.972 u, 94.99%), 16
S (32.971 u, 0.75%),
SECCIÓN 4
34
16 S
36
(33.968 u, 4.25%) y 16
S (35.967 u, 0.01%).
Dominio de los conceptos
79. ¿Qué es desintegración radiactiva?
72. Completa la Tabla 6.
80. ¿Por qué algunos átomos son radiactivos?
Tabla 6 Cloro y circonio
Elemento
Cl
Número atómico
17
Número másico
35
Cl
Zr
40
37
92
Protones
40
Neutrones
Electrones
Zr
50
17
73. ¿Cuántos electrones, protones y neutrones contiene
cada átomo?
c. 163
a. 132
55 Cs
69 Tm
59
b. 27
Co
d. 70
30Zn
74. ¿Cuántos electrones, protones y neutrones contiene
cada átomo?
a. galio-69
c. titanio-48
b. flúor-23
d. tantalio-181
81. Comenta cómo ganan estabilidad los átomos radiactivos.
82. Define partícula alfa, partícula beta y rayo gamma.
83. Escribe los símbolos que denotan las radiaciones alfa,
beta y gamma e indica su masa y carga.
84. ¿Qué tipo de reacción implica cambios en el núcleo
de un átomo?
85. Emisiones radiactivas ¿Qué cambio se da en el
número másico cuando un átomo radiactivo emite una
partícula alfa, una partícula beta y una partícula gamma?
86. ¿Cuál es el factor principal que determina si un núcleo
es estable o inestable?
87. Explica cómo se relacionan la pérdida de energía y la
estabilidad nuclear con la desintegración radiactiva.
88. Explica qué debe ocurrir antes de que un átomo radiactivo
deje de experimentar más desintegración radiactiva.
89. El boro-10 emite partículas alfa y el cesio-137 partículas
beta. Escribe reacciones nucleares balanceadas para cada
desintegración radiactiva.
Capítulo 4 • Evaluación
129
EVALUACIÓN
REPASO GENERAL
90. Determina lo que estaba mal en la teoría de Dalton y
presenta la versión más reciente de la estructura atómica.
91. Tubo de rayos catódicos Describe un tubo de rayos
catódicos y su funcionamiento.
104. Titanio Calcula la masa atómica del titanio a partir de
la Tabla 9.
Tabla 9 Isótopos de titanio
Isótopo
Masa atómica (u)
Abundancia relativa (%)
92. Partículas subatómicas Explica cómo la determinación
de J. J. Thomson de la relación carga/masa del electrón
llevó a la conclusión de que los átomos estaban
compuestos por partículas subatómicas.
Ti-46
45.953
8.00
Ti-47
46.952
7.30
Ti-48
47.948
73.80
93. Experimento de la lámina de oro ¿En qué se
diferenciaron los resultados reales del experimento de
la lámina de oro de Rutherford de los que él esperaba?
Ti-49
48.948
5.50
Ti-50
49.945
5.40
94. Si un núcleo contiene 12 protones, ¿cuántos electrones
hay en el átomo neutro? Explica tu respuesta.
105. Describe cómo cada tipo de radiación influye en el
número atómico y el número másico de un átomo.
95. El núcleo de un átomo tiene 92 protones y su número
másico es 235. ¿Cuántos neutrones hay en el núcleo?
¿Cuál es el nombre del átomo?
106. Abundancias relativas El magnesio constituye cerca
del 2% de la corteza terrestre y tiene tres isótopos que
existen de forma natural. Supón que analizas un mineral
y determinas que contiene los tres isótopos en las
siguientes proporciones: Mg-24 (abundancia = 79%),
Mg-25 (abundancia = 10%) y Mg-26 (abundancia = 11%).
Si tu compañero analiza un mineral diferente que contiene
magnesio, ¿esperas que obtenga las mismas abundancias
relativas por cada isótopo de magnesio? Explica tu
razonamiento.
96. Completa la Tabla 8.
Tabla 8 Composición de varios isótopos
Isótopo
Zn-64
Número atómico
9
Número másico
32
Número de protones
16
11
23
Número de neutrones
24
Número de electrones
20
10
+
-
97. Aproximadamente, ¿cuántas veces es mayor el diámetro
de un átomo que el diámetro de su núcleo? Sabiendo
que la mayor parte de la masa de un átomo está en el
núcleo, ¿qué puedes concluir sobre la densidad del núcleo?
98. ¿La carga de un núcleo es positiva, negativa o cero? ¿La
carga de un átomo es positiva, negativa o cero?
99. ¿Por qué los electrones en un tubo de rayos catódicos
son desviados por los campos eléctricos?
100. ¿Cuál fue la contribución de Henry Moseley al
entendimiento actual del átomo?
101. ¿Cuál es el número másico del potasio-39? ¿Cuál es la
carga del isótopo?
102. El boro-10 y el boro-11 son los isótopos del elemento boro
que existen de forma natural. Si el boro tiene una masa
atómica de 10.81 u, ¿qué isótopo tiene mayor abundancia?
103. Semiconductores El silicio es importante para la
industria manufacturera de los semiconductores. Los
tres isótopos del silicio que existen de forma natural
son silicio-28, silicio-29 y silicio-30. Escribe el símbolo
de cada uno.
130 Capítulo 4 • Estructura del átomo
Figura 24
107. Radiación Identifica los dos tipos de radiación que se
muestran en la Figura 24. Explica tu razonamiento.
PENSAMIENTO CRÍTICO
108. Formula ¿Cómo se emplearon los métodos científicos
para determinar el modelo del átomo? ¿Por qué se
considera este modelo como una teoría?
109. Analiza ¿Qué experimento llevó a cuestionar el
modelo atómico del pudín de pasas de J. J. Thomson?
Explica tu respuesta.
110. Aplica ¿Qué es mayor, el número de compuestos
o el número de elementos? ¿El número de elementos
o el número de isótopos? Explica tu respuesta.
111. Analiza Un elemento tiene tres isótopos que existen
de forma natural. ¿Qué otra información debes saber
para calcular la masa atómica del elemento?
112. Aplica Si los átomos se componen fundamentalmente
de espacio vacío, explica por qué no puedes atravesar
con la mano un objeto sólido.
113. Formula Dibuja un modelo atómico actual de un
átomo típico e identifica dónde se localizarían las
diferentes partículas subatómicas.
114. Aplica El indio tiene dos isótopos que existen de
forma natural y una masa atómica de 11.818 u. El
In-113 tiene una masa de 112.904 u y una abundancia
de 4.3%. ¿Cuál es la identidad y el porcentaje de
abundancia del otro isótopo del indio?
115. Infiere La masa atómica promedio del azufre es
cercana al número entero 32. La masa atómica
promedio del cloro es 35.453, que no es un número
entero. Sugiere una posible razón para esta diferencia.
PROBLEMA DESAFÍO
116. Isótopos de magnesio Computa el número másico X,
del tercer isótopo del magnesio, teniendo en cuenta
que las respectivas abundancias de los isótopos que
existen de forma natural son: 79.0%, 10% y 11% para
X
24
25
12 Mg , 12 Mg y 12 Mg. La masa atómica del magnesio
es 24.305 u.
REPASO ACUMULATIVO
117. ¿En qué se diferencia la observación cualitativa de la
observación cuantitativa? Da un ejemplo de cada una.
118. Un bloque de oro de 1.0-cm 3 puede aplanarse
hasta formar una lámina delgada que promedia los
3.0 × 10 -8 cm de espesor. ¿Cuál es el área (en cm2)
de la lámina de oro?
119. Un pliego de papel tiene un área de 603 cm 2. ¿Cuántas
hojas de papel cubriría la lámina de oro mencionada en
el problema 118?
120. Clasifica cada mezcla como heterogénea u homogénea.
a. agua salada
b. sopa de verduras
c. oro de 14 K
d. concreto
121. Determina si estos cambios son físicos o químicos:
a. agua que hierve
b. fósforo que se enciende
c. azúcar que se disuelve en agua
d. sodio que reacciona con agua
e. helado que se derrite
122. Pantallas de televisor y de computadoras
Describe cómo se usan los rayos catódicos para
generar imágenes en los televisores y en los
monitores de las computadoras.
123. Modelo estándar El modelo estándar de la física de
partículas describe todos los componentes conocidos de
la materia. Investiga las partículas incluidas en el modelo
estándar. Escribe un breve informe que describa las
partículas conocidas y las que se cree que existen, pero
que aún no se han detectado experimentalmente.
124. STM Los átomos individuales se pueden ver con un
aparato sofisticado conocido como microscopio de
efecto túnel (STM, por sus siglas en inglés). Escribe un
breve informe sobre cómo funciona y elabora una
galería de imágenes de este microscopio a partir de
fuentes, como libros, revistas e internet.
Preguntas con base
en el documento
El circonio es un metal brillante de color blanco grisáceo.
Debido a su alta resistencia a la corrosión y a su baja sección
transversal de captura de neutrones, suele emplearse en reactores
nucleares. También puede ser procesado para producir gemas
que parecen diamantes que se emplean en joyería.
En la Tabla 10 se muestra la abundancia relativa de los
isótopos de circonio.
Tabla 10 Abundancia relativa de los isótopos
de circonio
Elemento
Masa (u)
Abundancia (%)
Circonio-90
89.905
51.45
Circonio-91
90.906
11.22
Circonio-92
91.905
17.15
Circonio-94
93.906
17.38
Circonio-96
95.908
2.80
Datos obtenidos de: Lide, David R., ed. 2005. CRC Handbook of Chemistry and
Physics. Boca Ratón: CRC Press.
125. ¿Cuál es el número másico de cada isótopo de circonio?
126. Computa el número de protones y neutrones para
cada isótopo de circonio.
127. ¿El número de protones y neutrones se mantiene
igual en todos los isótopos? Explica tu respuesta.
128. Con base en la abundancia relativa de cada isótopo,
predice a la masa de qué isótopo va a ser más
cercana la masa atómica promedio del circonio.
129. Calcula la media ponderada de la masa atómica
del circonio.
Capítulo 4 • Evaluación
131
REPASO DE QUÍMICA
CAPÍTULO 4
SELECCIÓN MÚLTIPLE
1 ¿Cuál describe un átomo de plutonio?
Boro-10
A Puede dividirse en partículas más pequeñas
que retienen las propiedades del plutonio.
Boro-11
5 Electrones
B No puede dividirse en partículas más pequeñas
que retengan las propiedades del plutonio.
5 Electrones
C No posee todas las propiedades de una
mayor cantidad de plutonio.
5 Protones
5 Neutrones
D Tiene un número atómico de 244.
5 Protones
Responde la pregunta 2 con el siguiente diagrama.
6 Neutrones
Núcleo
Núcleo
Enunciado I
X
Y
A
Los dos átomos de PORQUE
boro de la gráfica
anterior son isótopos
tienen el mismo número de
protones, pero diferente
número de neutrones.
B
La mayoría de
partículas alfa que
chocan contra una
lámina de oro la
atraviesan
un átomo tiene un núcleo
grande en comparación
con su tamaño general.
C
Un rayo de
PORQUE
neutrones es atraído
por las placas con
carga que lo rodean
los neutrones no tienen
carga.
D
El carbono y el
oxígeno pueden
formar CO o CO2
el carbono y el oxígeno
cumplen la ley de la
composición definida.
Z
convenciones
= Átomo del elemento A
= Átomo del elemento B
2 ¿En qué diagrama se muestra una mezcla?
A X
B Y
C Z
D XyZ
Enunciado II
PORQUE
PORQUE
3 El núcleo del elemento X es inestable debido a una
abundancia excesiva de neutrones. Es probable
que ocurra todo lo siguiente, EXCEPTO que:
A el elemento X sufra desintegración radiactiva.
B el elemento X permanezca como un elemento
radiactivo inestable.
4 ¿Qué enunciado II explica de forma correcta
el enunciado I?
A A
C el elemento X gane más protones para
equilibrar los neutrones que posee.
B B
D el elemento X tenga una pérdida de energía
espontánea.
D D
132
Capítulo 4 • Estructura del átomo
C C
RESPUESTA BREVE
PRÁCTICA PARA LA PRUEBA
5 Una muestra de 36.41 g de carbonato de calcio
(CaCO 3) contiene 14.58 g de calcio y 4.36 g de
carbono. ¿Cuál es la masa del oxígeno contenido
en la muestra? ¿Cuál es el porcentaje en masa
de cada elemento en este compuesto?
Responde la pregunta 11 a partir de la siguiente
figura.
Responde las preguntas 6 y 7 a partir de esta tabla.
Características de los isótopos de neón que existen
de forma natural
Isótopo
Número atómico
Masa (u)
Porcentaje de
abundancia
20Ne
10
19.992
90.48
21Ne
10
20.994
0.27
22Ne
10
21.991
9.25
11 Anota la longitud de este sujetapapeles con el
número apropiado de dígitos significativos.
A 31 mm
6 Escribe el número de protones, electrones y
neutrones para cada isótopo de la tabla anterior.
B 31.1 mm
C 30.1 mm
7 Con los datos de la tabla anterior, calcula la
masa atómica promedio del neón.
D 31.15 mm
RESPUESTA AMPLIADA
8 Supón que el elemento Q tiene los siguientes
tres isótopos: 248Q, 252Q, y 259Q. Si la masa
atómica de Q es 258.63, ¿cuál de sus isótopos
es el más abundante? Explica tu respuesta.
9 El yodo-131 experimenta desintegración radiactiva
para formar un isótopo con 54 protones y 77
neutrones. ¿Qué tipo de desintegración ocurre
en este isótopo? Explica cómo lo determinas.
12 El único isótopo del neptunio que existe de
forma natural, 237
93 Np, se desintegra al emitir
una partícula alfa, una partícula beta y un rayo
gamma. ¿Cuál es el nuevo átomo que se forma
a partir de esta desintegración?
10 Supón que tienes un cubo de aluminio. Tus
mediciones muestran que sus lados son de
2.14 cm y su masa es de 25.1 g. Explica cómo
hallarías su densidad. Si la densidad del aluminio
es de 2.70 g/cm3, ¿cuál es tu porcentaje de error?
A
233
92 U
B
241
93 Np
C
233
90 Th
D
241
92 U
¿NECESITAS AYUDA ADICIONAL?
Si no pudiste responder
la pregunta. . .
Repasa la sección. . .
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
4.2
3.4
4.4
4.3
3.4
4.3
4.3
4.3
4.4
2.3
2.2
4.4
Capítulo 4 • Evaluación 133