2.1: Átomos

Objetivos de aprendizaje

• Definir el término átomo y describir su estructura en términos de ubicación y carga de sus partículas subatómicas
• Definir el término elemento y distinguir entre átomo y elemento
• Distinguir entre los términos número atómico y número de masa
• Describir la disposición de los electrones en átomos, definir los electrones de valencia y explicar la regla del octeto
• Definir los términos ion, catión, anión y electrolito

La materia es cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio. Todas las cosas en el universo (es decir, las cosas vivas y las no vivientes) se consideran materia. El componente más pequeño de la materia que normalmente se encuentra es el átomo. Entonces, todas las cosas en el universo (incluidos los humanos) están hechas de átomos.

Los átomos mismos están compuestos de partículas subatómicas aún más pequeñas (cosas extremadamente pequeñas) llamadas neutrones, protones y electrones. Los protones tienen una carga eléctrica positiva (+), los electrones tienen una carga eléctrica negativa (-) y los neutrones son eléctricamente neutros, lo que significa que no tienen carga.

Cada uno de los diferentes tipos de átomos en el universo tiene el mismo número de protones y electrones. Entonces, todos y cada uno de los átomos del universo son eléctricamente neutros. Por ejemplo, un átomo de sodio tiene 11 electrones (-) y 11 protones (+). Los 11 protones positivos anulan los 11 electrones negativos, y la carga general del átomo es cero.

Los protones y neutrones pesan cada uno una unidad de masa atómica (amu), y están ubicados en el núcleo del átomo, o núcleo. Los electrones se mueven dentro de las nubes orbitales alrededor del núcleo en conchas orbitales. Los electrones son tan pequeños que su masa se considera cero. Consulta la figura\(\PageIndex{1}\) y\(\PageIndex{2}\) abajo, y haz actividad\(\PageIndex{1}\) a continuación.

Figura\(\PageIndex{1}\): Representación de un átomo. Este átomo en particular tiene cinco electrones y cinco protones; es neutro como lo son todos los átomos. Las masas de electrones son extremadamente pequeñas en comparación con las masas de protones y neutrones.

La siguiente figura muestra una representación planetaria típica de un átomo destacando conchas orbitales.

Figura\(\PageIndex{2}\) Representación de un átomo como modelo planetario. Este átomo tiene tres protones y tres electrones; entonces, es neutro, como lo son todos los átomos. Los electrones están representados mucho más grandes de lo que realmente son, solo para que puedan verse claramente.

Actividad\(\PageIndex{1}\)

Contar el número de protones y electrones en los átomos de Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno que se muestran a continuación. Los protones son rojos y los neutrones azules. Cada átomo debe tener el mismo número de protones que los electrones.

Contestar

Carbono: 6 protones y electrones

Hidrógeno: 1 protones y electrones

Nitrógeno: 7 protones y electrones

Oxígeno: 8 protones y electrones

Conceptos, términos y verificación de hechos

Preguntas de estudio Escribe tu respuesta en forma de oración (no respondas usando palabras sueltas)

1. ¿Qué es un átomo?
2. ¿Qué es una partícula subatómica?
3. ¿Cuántos tipos diferentes de partículas subatómicas hay en un átomo?
4. ¿Dónde se encuentran las diferentes partículas subatómicas en un átomo?
5. ¿Qué partícula subatómica es positiva?
6. ¿Qué partícula subatómica es negativa?
7. ¿Qué partícula subatómica es neutra?
8. ¿Cuál es la carga general de un átomo (positivo, negativo, neutro)?
9. ¿Qué es un proyectil orbital?

Si bien todos los átomos están hechos de partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) no todos los átomos son iguales. Hay 118 tipos diferentes de átomos, llamados elementos. Cada elemento tiene propiedades físicas y químicas únicas. Por ejemplo, el elemento carbono y el elemento oxígeno tienen diferentes puntos de fusión, diferentes densidades y diferentes colores. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades de ese elemento. También podemos definir un elemento como una sustancia que está hecha de un solo tipo de átomo. Consulte la figura\(\PageIndex{3}\) a continuación.

Figura\(\PageIndex{3}\) De izquierda a derecha, imágenes de los elementos sodio (sólido), nitrógeno (líquido) y oxígeno (burbujas de gas incoloras en el líquido azul pálido). El elemento sodio está hecho de átomos de sodio, el elemento nitrógeno está hecho de átomos de nitrógeno, y el elemento oxígeno está hecho de átomos de oxígeno.

Todos los elementos conocidos en el universo están organizados en una tabla llamada Tabla Periódica de los Elementos. La tabla organiza los elementos de acuerdo con sus propiedades químicas, su número de protones y la forma en que los electrones se organizan en conchas orbitales. Los elementos están simbolizados por un símbolo químico (abreviatura de una o dos letras). Consulte la figura\(\PageIndex{4}\) a continuación.

Figura\(\PageIndex{4}\) Una forma estándar de 18 columnas de la Tabla Periódica de los Elementos. Esta figura muestra la representación más simple de la tabla con información básica.

El cuerpo humano está compuesto por muchos elementos diferentes como se muestra en la figura\(\PageIndex{5}\) a continuación. Por ejemplo, el carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y calcio (Ca), constituyen 98.5% del peso corporal humano. Otros elementos importantes son potasio (K), azufre (S), sodio (Na), cloro (Cl) y magnesio (Mg).

Figura\(\PageIndex{5}\) Los principales elementos que componen el cuerpo humano

Tabla\(\PageIndex{1}\) Desglose de elementos en el cuerpo por porcentaje

Element	Símbolo	Porcentaje en Cuerpo
Oxígeno	O	65.0
Carbono	C	18.5
Hidrógeno	H	9.5
Nitrógeno	N	3.2
Calcio	Ca	1.5
Fosforo	P	1.0
Potasio	K	0.4
Azufre	S	0.3
Sodio	Na	0.2
Cloro	Cl	0.2
Magnesio	Mg	0.1
Los oligoelementos incluyen boro (B), cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu), flúor (F), yodo (I), hierro (Fe), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), selenio (Se), silicio (Si), estaño (Sn), vanadio (V) y zinc (Zn).		menos de 1.0

Conceptos, términos y verificación de hechos

Preguntas de estudio Escribe tu respuesta en forma de oración (no respondas usando palabras sueltas)

1. ¿Qué es un elemento?
2. ¿Cuál es la diferencia entre un átomo y un elemento?
3. ¿Qué es un símbolo químico?
4. ¿Qué es la Tabla Periódica de los Elementos?

Todos los elementos difieren en sus propiedades físicas y químicas. Estas propiedades vienen dadas por el número de partículas subatómicas (protones, electrones y neutrones) que llevan. El número de protones que lleva un átomo en su núcleo determina qué elemento es. Por ejemplo, un átomo del elemento carbono (C) siempre tiene seis protones en su núcleo; y un átomo del elemento oxígeno (O) siempre tiene ocho protones en su núcleo. En definitiva, todos los átomos con un número particular de protones pertenecen al mismo elemento.

El número de protones en un átomo se denota por el número atómico, que se muestra como un número en la tabla periódica, generalmente mostrado arriba del símbolo químico del elemento. Entonces, los números atómicos encima de cada elemento en la tabla periódica muestran el número de protones de cada elemento.

Dado que los átomos son eléctricamente neutros (llevan el mismo número de protones que los electrones); entonces, el número de protones nos dice el número de electrones que tiene un elemento. Por ejemplo, el nitrógeno (N) tiene un número atómico de 7 (ver la tabla periódica a continuación). Entonces, el nitrógeno debe tener siete protones, y también debe tener siete electrones. El sodio (Na) tiene un número atómico de es 11; entonces, el sodio debe tener once protones, y también debe tener once electrones. Lo mismo se aplica a todos los elementos de la tabla periódica. Consulte la figura\(\PageIndex{6}\) a continuación.

Figura Tabla\(\PageIndex{6}\) Periódica de Elementos mostrando símbolos, números atómicos y números de masa. La masa real de un átomo se conoce como su peso en el planeta Tierra. Entonces, consideramos el peso atómico y el número de masa como lo mismo

La masa atómica de un elemento es principalmente la masa de sus neutrones y sus protones (ya que los electrones tienen una masa insignificante). Por ejemplo, la masa atómica del carbono (C) es 12. Esto viene de sumar el número de protones (6) más el número de neutrones (6), cada uno de los cuales pesa 1 amu. La masa atómica se muestra como un número decimal llamado número de masa en la tabla periódica, generalmente se muestra debajo del símbolo químico del elemento. Para los objetivos de este curso, consideramos que el peso atómico y la masa atómica significan lo mismo e ignoramos los puntos decimales en el número de masa.

Resumiendo

Número atómico = Número de protones = Número de electrones Número de
masa = Peso atómico = Número de protones + Número de neutrones

Conceptos, términos y verificación de hechos

Preguntas de estudio Escribe tu respuesta en forma de oración (no respondas usando palabras sueltas)

1. ¿Cuál es el número atómico de un elemento?
2. ¿Cuál es el número de masa de un elemento?
3. ¿Cómo se relacionan el número atómico, el número de protones y el número de electrones?
4. ¿Cómo se relacionan el número de masa, el número de protones y el número de neutrones?

Los electrones están dispuestos en conchas orbitales (capas) que rodean el núcleo del átomo. El primer caparazón puede llevar hasta dos electrones, el segundo caparazón puede llevar hasta ocho electrones, y el tercer caparazón [puede llevar hasta dieciocho electrones pero] suele estar lleno de hasta ocho electrones. Por ejemplo, el número atómico de nitrógeno es 7. Esto significa que el nitrógeno tiene siete protones, y por lo tanto tiene siete electrones. Dos electrones llenan la primera capa orbital y cinco electrones van a la segunda capa orbital. El número atómico del hidrógeno es 1. Esto significa que el hidrógeno tiene un protón, y también un electrón, que va a la primera concha. El número atómico del sodio es 11, por lo que el sodio tiene once protones y once electrones. Los dos primeros llenan el primer caparazón orbital, ocho más llenan el segundo caparazón orbital, y el último electrón va al tercer caparazón orbital.

Los átomos individuales por sí mismos son inestables y químicamente reactivos (a menos que su capa de electrones más externa ya esté llena de electrones) .Esto significa que tienden a reaccionar y enlazarse con otros átomos hasta que se vuelven no reactivos, o estables. Como lo afirma la Regla del Octeto (oct- = ocho), muchos elementos se vuelven estables cuando tienen ocho electrones en su caparazón orbital más externo (excepto hidrógeno, que se vuelve estable teniendo dos). Por ejemplo, el nitrógeno tiene cinco electrones en su segunda y más externa capa, y completa ocho compartiendo tres electrones con otro átomo (s). Esto hace que el nitrógeno sea estable, lo que significa que al completar un octeto no necesita reaccionar con ningún otro átomo. Exploraremos esta regla más a fondo en un siguiente objetivo de aprendizaje.

El número de electrones en la capa más externa de los átomos determina el tipo de enlace que se produce entre los átomos del mismo, o diferentes elementos. Los electrones que se encuentran en la capa más externa, e involucrados en la unión química, se llaman electrones de valencia. Hacer actividad/(PageIndex {2}/) a continuación.

Actividad\(\PageIndex{2}\)

Electrones de valencia para algunos de los primeros elementos de la tabla periódica. Contar los electrones para cada elemento. Tenga en cuenta que el primer caparazón tiene hasta dos electrones, el segundo caparazón hasta ocho, y el tercero hasta ocho también. Los electrones en la capa más externa son electrones de valencia.

Contestar

H: 1 electrón

Él: 2 electrones

Li: 3 electrones

Ser: 4 electrones

B: 5 electrones

C: 6 electrones

N: 7 electrones

O: 8 electrones

F: 9 electrones

Ne: 10 electrones

Na: 11 electrones

Mg: 12 electrones

Al: 13 electrones

Si: 14 electrones

P: 15 electrones

S: 16 electrones

Cl: 17 electrones

Ar: 18 electrones

Conceptos, términos y verificación de hechos

Preguntas de estudio Escribe tu respuesta en forma de oración (no respondas usando palabras sueltas)

1. ¿Qué dice la regla del octeto?
2. ¿Qué son los electrones de valencia?

Para seguir la regla del octeto y terminar con ocho electrones en la capa de valencia (la capa más externa) generalmente los átomos con uno o dos electrones de valencia tienden a regalarlos a átomos con seis o siete electrones de valencia que necesitan uno o dos electrones más para completar ocho.

Por ejemplo, el sodio (Na) tiene un total de once electrones: dos electrones en la primera capa, ocho electrones en la segunda y uno más en la tercera. Al ceder este último electrón a un átomo de otro elemento, la segunda capa se convierte en la más externa, y el sodio tiene ocho electrones en su (nueva) capa de valencia. Inicialmente, el sodio tenía once cargas positivas de sus once protones, y once cargas negativas de sus once electrones, con una carga global igual a cero. Ahora que el sodio perdió una carga negativa (el electrón), tiene una carga positiva extra y se convierte en un catión, una partícula cargada positivamente.

En contraste, el cloro (Cl) tiene un total de diecisiete electrones: dos electrones en la primera capa, ocho electrones en la segunda capa y siete más en la tercera (capa de valencia). Al tomar un electrón de un átomo de otro elemento, su tercera capa completa ocho electrones. Inicialmente, el cloro tenía diecisiete cargas positivas de sus diecisiete protones, y diecisiete cargas negativas de sus diecisiete electrones, con una carga total igual a cero. Ahora que el cloro ganó una carga negativa (el electrón), tiene una carga extra negativa y se convierte en un anión, una partícula cargada negativamente.

Los cationes se representan con un signo más superíndice (+) para cada electrón perdido, y los aniones se representan con un signo menos superíndice (-) para cada electrón ganado. Un solo átomo puede formar un ion como en K ⁺, Cl ^-, F ^-; Mg ²⁺, Al ³⁺; y también un grupo de átomos, o partes de una molécula, puede formar iones como en OH ^-, HPO ₄ ^-, NH ₄ ⁺, SO ₄ ^2-.

Las partículas cargadas eléctricamente, como los iones, también se llaman electrolitos. Por ejemplo, todos los iones enumerados en el párrafo anterior son electrolitos. Los electrolitos generalmente se disuelven bien en el agua, y una mezcla de agua y electrolitos puede conducir corrientes eléctricas.

Conceptos, términos y verificación de hechos

Preguntas de estudio Escribe tu respuesta en forma de oración (no respondas usando palabras sueltas)

1. ¿Qué es un catión?
2. ¿Qué es un anión?
3. ¿Qué es un ion?
4. ¿Cuál es la diferencia entre un elemento y un ion?
5. ¿Qué es un electrolito?