Partículas subatómicas y cálculos atómicos

Las tres partículas subatómicas

PartículaSímboloCargaMasa (u)Masa (kg)Ubicación
Protónp+111.673 × 10⁻²⁷Núcleo
Neutrónn011.675 × 10⁻²⁷Núcleo
Electróne-1≈ 09.109 × 10⁻³¹Nube electrónica

Fórmulas clave

Número másico y número atómico
SímboloNombreFórmula
ZNúmero atómico= número de protones
ANúmero másico= protones + neutrones
nNeutrones= A - Z
eElectrones (átomo neutro)= protones
CargaCarga del ion= protones - electrones

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1: Átomo neutro — ¹⁶₈O (Oxígeno-16)
SímboloValor¿Cómo?
Z8Dado (número inferior)
A16Dado (número superior)
p8p = Z
n8n = A - Z = 16 - 8
e8e = p (neutro)
Carga0Átomo neutro
Ejemplo 2: Catión (+) — ²³₁₁Na⁺ (ion sodio)
SímboloValor¿Cómo?
Z11Dado
A23Dado
p11p = Z
n12n = A - Z = 23 - 11
e10Pierde 1 electrón
Carga+1p - e = 11 - 10
Ejemplo 3: Anión (-) — ³²₁₆S²⁻ (ion sulfuro)
SímboloValor¿Cómo?
Z16Dado
A32Dado
p16p = Z
n16n = A - Z = 32 - 16
e18Gana 2 electrones
Carga-2p - e = 16 - 18
Ejemplo 4: Identificar a partir de partículas — p = 26, n = 30, e = 24
SímboloValor¿Cómo?
p26Dado
Z26Z = p
ElementoHierro (Fe)Buscar Z = 26
n30Dado
A56A = p + n = 26 + 30
e24Dado
Carga+2p - e = 26 - 24
IónFe²⁺Catión (pierde 2 e)

Tablas de práctica

Completa los valores que faltan. Recuerda que un ión puede ser:

  • Catión: tiene carga positiva porque pierde electrones.
  • Anión: tiene carga negativa porque gana electrones.
EspecieTipoZApneCarga
¹₁HÁtomo neutro111010
¹²₆CÁtomo neutro6126660
⁵⁶₂₆FeÁtomo neutro26562630260
Na⁺Catión1123111210+1
Al³⁺Catión1327131410+3
Cu²⁺Catión2964293527+2
F⁻Anión91991010-1
Cl⁻Anión1735171818-1
S²⁻Anión1632161618-2
P³⁻Anión1531151618-3

Isótopos

Los isótopos son variantes de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones (Z) pero diferente número de neutrones (n). Esto significa que tienen el mismo número atómico pero diferente número másico (A).

Isótopos = mismo Z (protones), distinto n (neutrones)

Isótopos del hidrógeno

NombreSímboloZApneAbundanciaEstabilidadUso / presencia
Protio¹₁H1110199.98%EstableEl más común; presente en el agua (H₂O) y en compuestos orgánicos
Deuterio²₁H (D)121110.02%EstableAgua pesada (D₂O) en reactores nucleares; espectroscopía RMN
Tritio³₁H (T)13121Traza☢️ Radiactivo (t½ = 12.3 a)Combustible de fusión nuclear; relojes luminiscentes; se produce en reactores nucleares

Isótopos del carbono

NombreSímboloZApneAbundanciaEstabilidadUso / presencia
Carbono-12¹²₆C61266698.9%EstableReferencia de la unidad de masa atómica (1 u = 1/12 de ¹²C); materia orgánica
Carbono-13¹³₆C6136761.1%EstableEspectroscopía RMN; estudios metabólicos; investigación climática
Carbono-14¹⁴₆C614686Traza☢️ Radiactivo (t½ = 5,730 a)Datación por radiocarbono de fósiles y restos arqueológicos; se forma en la atmósfera por rayos cósmicos

Gráfico de estabilidad nuclear

Gráfico de estabilidad nuclear que muestra isótopos estables e inestables

Modelos atómicos a lo largo de la historia

Historia del átomo
ModeloCientíficoAñoCaracterísticas claveLimitaciones
DaltonJohn Dalton1803Esferas sólidas e indivisibles; los átomos del mismo elemento son idénticosNo explicaba la electricidad ni cómo se combinan los átomos
ThomsonJ.J. Thomson1897Modelo del pudín de pasas; electrones incrustados en una esfera positivaNo explicaba la masa concentrada
RutherfordErnest Rutherford1911Núcleo con electrones orbitando; mayoritariamente espacio vacíoNo explicaba la estabilidad de los electrones ni la energía
BohrNiels Bohr1913Electrones en órbitas circulares fijas a niveles de energía establecidosSolo funcionaba para el hidrógeno; no coincidía con las observaciones
SchrödingerErwin Schrödinger1926Nubes de probabilidad de electrones (orbitales); dualidad onda-partículaMatemáticas complejas; visualización abstracta

Evolución: De átomos indivisibles → descubrir la estructura interna → comprender los átomos nucleares → explicar el comportamiento de los electrones a través de los niveles de energía → mecánica cuántica moderna con nubes de electrones.

El átomo: el bloque de construcción de todo

Los átomos son los bloques de construcción fundamentales de toda la materia del universo. Todo lo que puedes ver, tocar, oler o saborear está hecho de átomos: desde el aire que respiras hasta las estrellas del cielo. Comprender los átomos es la clave para entender la química, la física y la naturaleza de la realidad misma.

Una breve historia del descubrimiento atómico

Filosofía griega antigua (400 a. C.)

Demócrito y el "Atomos"
  • Demócrito: Filósofo griego que propuso por primera vez la teoría atómica.
  • "Atomos": Palabra griega que significa "indivisible".
  • Idea básica: La materia no se puede dividir para siempre.
  • Experimento mental: Cortar un trozo de materia repetidamente hasta que no se pueda cortar más.
La oposición de Aristóteles
  • Aristóteles: Rechazó la teoría atómica.
  • Cuatro elementos: En su lugar, propuso la tierra, el agua, el aire y el fuego.
  • Materia continua: Creía que la materia era infinitamente divisible.
  • Impacto: Las ideas de Aristóteles dominaron durante casi 2000 años.

Teoría atómica de John Dalton (1803)

El primer modelo atómico científico
  • Base experimental: Basado en experimentos químicos y observaciones.
  • Contribuciones clave: Hizo que la teoría atómica fuera científica en lugar de filosófica.
  • Ley de las proporciones múltiples: Los elementos se combinan en proporciones de números enteros.
  • Idea revolucionaria: Diferentes elementos tienen diferentes tipos de átomos.
Las ideas principales de Dalton
  • Toda la materia está hecha de partículas diminutas e indivisibles llamadas átomos.
  • Los átomos del mismo elemento son idénticos en masa y propiedades.
  • Los átomos de diferentes elementos son diferentes.
  • Los átomos se combinan en proporciones simples de números enteros para formar compuestos.
  • Los átomos no se pueden crear, destruir ni transformar en otros átomos.

Lo que diferenciaba a Dalton de Demócrito:

  • Basado en evidencia: Dalton utilizó datos experimentales, no solo filosofía.
  • Cuantitativo: Asignó pesos relativos a diferentes átomos.
  • Predictivo: Podía predecir cómo se combinarían los elementos.
  • Comprobable: Otros científicos podían verificar sus conclusiones.

Evidencia experimental de Dalton:

  • Estudió las reacciones de los gases.
  • Midió las proporciones de combinación de los elementos.
  • Observó que los compuestos siempre tenían las mismas proporciones.
  • Agua: siempre 8 partes de oxígeno por 1 parte de hidrógeno en masa.

J.J. Thomson y el electrón (1897)

Los experimentos con rayos catódicos
  • Rayos catódicos: Rayos misteriosos producidos en tubos de vacío.
  • El descubrimiento de Thomson: Estos rayos eran flujos de partículas diminutas.
  • Electrón: Primera partícula subatómica descubierta.
  • Relación carga-masa: Thomson la midió con precisión.
Experimento de rayos catódicos
El modelo del pudín de pasas
  • Estructura: Los átomos son esferas de carga positiva.
  • Electrones: Incrustados como pasas en un pudín (o pasas en un bizcocho).
  • Distribuidos uniformemente: Los electrones negativos se dispersan por todas partes.
  • Información clave: Los átomos no son indivisibles: contienen partes.

Ernest Rutherford y el núcleo (1911)

El experimento de la lámina de oro
  • Configuración: Partículas alfa disparadas contra una fina lámina de oro.
  • Resultado esperado: Todas las partículas pasan directamente si el modelo del pudín de pasas fuera correcto.
  • Resultado real: La mayoría pasó, pero algunas rebotaron.
  • La reacción de Rutherford: "Como si dispararas un cañón contra un pañuelo de papel y rebotara".
Experimento de la lámina de oro
Descubrimiento del núcleo
  • Conclusión: Los átomos tienen un centro positivo, pequeño y denso.
  • El núcleo: Contiene la mayor parte de la masa del átomo.
  • Espacio vacío: La mayor parte del átomo está vacío.
  • Electrones: Orbitan lejos del núcleo.
Comprendiendo el experimento de Rutherford

La configuración experimental:

  • Partículas alfa (positivas) de una fuente radiactiva.
  • Lámina de oro muy fina (solo unos pocos átomos de espesor).
  • Pantalla fluorescente para detectar dónde aterrizan las partículas.
  • Habitación oscura para observar destellos de luz.

Lo que mostraron los resultados:

  • ~99% de las partículas pasaron directamente → los átomos están mayoritariamente vacíos.
  • Algunas se desviaron en ángulos pequeños → cargas positivas que se repelen.
  • ~1 de cada 8000 rebotó → golpeó algo muy denso y positivo.
  • Tamaño del núcleo: unas 10.000 veces más pequeño que el átomo.

Analogía:

  • Si el núcleo fuera una canica, el átomo sería un estadio de fútbol.
  • Los electrones serían como moscas zumbando por el estadio.

El modelo de Niels Bohr (1913)

Niveles de energía cuantizados
  • Problema con el modelo de Rutherford: Los electrones deberían caer en espiral hacia el núcleo.
  • La solución de Bohr: Los electrones solo existen en órbitas específicas.
  • Niveles de energía: Cada órbita tiene una energía fija.
  • Saltos cuánticos: Los electrones saltan entre niveles, absorbiendo o emitiendo luz.
Características del modelo de Bohr
  • Modelo planetario: Los electrones orbitan como planetas alrededor del sol.
  • Órbitas discretas: Solo se permiten ciertas distancias del núcleo.
  • Emisión de energía: Se emite luz cuando los electrones bajan a niveles inferiores.
  • Espectro del hidrógeno: Explicó con éxito las líneas espectrales del hidrógeno.

Modelo mecánico cuántico moderno (desde los años 20 hasta la actualidad)

Dualidad onda-partícula
  • De Broglie: Propuso que los electrones se comportan como ondas.
  • Schrödinger: Desarrolló la ecuación de onda para los electrones.
  • Heisenberg: Principio de incertidumbre: no se puede conocer la posición y el momento exactos.
  • Orbitales: Nubes de probabilidad donde es probable que existan los electrones.
Conceptos clave
  • Sin órbitas fijas: Los electrones no siguen trayectorias específicas.
  • Distribuciones de probabilidad: Solo podemos decir dónde es probable que estén los electrones.
  • Nubes de electrones: Regiones de alta probabilidad de electrones.
  • Formas complejas: Los orbitales s, p, d, f tienen diferentes geometrías.

¿Cómo "vemos" los átomos?

Dado que los átomos son increíblemente diminutos (alrededor de 10⁻¹⁰ metros, o una diezmilmillonésima de metro), no podemos verlos con microscopios ordinarios. Los científicos han desarrollado tecnologías asombrosas para visualizar estos diminutos bloques de construcción.

¿Por qué no podemos usar microscopios ordinarios?

El problema de la longitud de onda
  • Límite de resolución: No se pueden ver objetos más pequeños que la longitud de onda utilizada.
  • Longitud de onda de la luz visible: 400-700 nanómetros.
  • Tamaño del átomo: Alrededor de 0,1-0,3 nanómetros.
  • Conclusión: Los átomos son unas 1000 veces más pequeños que la longitud de onda de la luz.

Microscopía electrónica

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)
  • Desarrollado por: Ernst Ruska (años 30, Premio Nobel 1986).
  • Principio: Utiliza haces de electrones en lugar de luz.
  • Longitud de onda del electrón: Mucho más corta que la de la luz visible.
  • Resolución: Puede ver átomos individuales en algunos materiales.
Microscopio electrónico de barrido (SEM)
  • Principio: Escanea la superficie con un haz de electrones enfocado.
  • Crea: Imágenes de superficies similares a 3D.
  • Utilizado para: Análisis de la estructura de la superficie.
  • Resolución: Muy alta, pero no llega al nivel atómico.

Microscopía de sonda de barrido

Microscopio de efecto túnel (STM)
  • Inventado por: Gerd Binnig y Heinrich Rohrer (1981, Premio Nobel 1986).
  • Principio: Utiliza el efecto túnel cuántico.
  • Cómo funciona: Una aguja diminuta escanea muy cerca de la superficie.
  • Resolución: Puede obtener imágenes de átomos individuales.
  • Imagen famosa: IBM escrito con 35 átomos de xenón (1989).
Microscopio de fuerza atómica (AFM)
  • Principio: Una punta diminuta "siente" la superficie.
  • Mide: Las fuerzas entre la punta y los átomos de la superficie.
  • Ventajas: Funciona en materiales no conductores.
  • Aplicaciones: Biología, ciencia de materiales, nanotecnología.
Cómo funciona el microscopio de efecto túnel

El principio del efecto túnel cuántico:

  • Los electrones pueden "atravesar" barreras que clásicamente no deberían pasar.
  • Se acerca una punta de metal afilada extremadamente cerca de una superficie (~1 nm).
  • Los electrones pasan por efecto túnel entre la punta y la superficie.
  • La corriente de túnel es extremadamente sensible a la distancia.

Creación de una imagen:

  • La punta escanea la superficie siguiendo un patrón de barrido.
  • El ordenador ajusta la altura de la punta para mantener la corriente constante.
  • Los ajustes de altura mapean la topografía de la superficie.
  • Los átomos individuales aparecen como protuberancias en la imagen.

Por qué es revolucionario:

  • Fue la primera vez que los humanos pudieron "ver" átomos individuales.
  • También se puede usar para mover átomos individuales.
  • Permitió la nanotecnología y la manipulación molecular.

Cristalografía de rayos X

Cómo funciona
  • Principio: Los rayos X se difractan a través de las redes cristalinas.
  • Análisis de patrones: El patrón de difracción revela la disposición atómica.
  • Resolución: Puede determinar las posiciones atómicas con precisión.
  • Uso famoso: Descubrimiento de la estructura del ADN (Watson, Crick, Franklin).
La imagen común del núcleo atómico es errónea

1. Completa la tabla para ¹⁶₈O (Oxígeno-16): (6 puntos)

a ) Z (número atómico):

b ) A (número másico):

c ) Protones (p):

d ) Neutrones (n):

e ) Electrones (e):

f ) Carga:

2. Completa la tabla para ⁵⁶₂₆Fe (Hierro-56): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

3. Completa la tabla para ²³₁₁Na⁺ (ion sodio): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

4. Completa la tabla para ³⁵₁₇Cl⁻ (ion cloruro): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

5. Completa la tabla para ⁴⁰₂₀Ca²⁺ (ion calcio): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

6. Completa la tabla para ³²₁₆S²⁻ (ion sulfuro): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

7. Completa la tabla para ²⁷₁₃Al³⁺ (ion aluminio): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

8. Completa la tabla para ¹⁹₉F⁻ (ion fluoruro): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

9. Identifica el elemento: Z = 6, A = 12 (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) p:

d ) n:

e ) e (neutro):

f ) Carga:

10. Identifica el elemento: Z = 7, A = 14 (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) p:

d ) n:

e ) e (neutro):

f ) Carga:

11. Identifica el elemento: Z = 19, A = 39, carga = +1 (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Notación del ion:

12. Identifica el elemento: Z = 12, A = 24, carga = +2 (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Notación del ion:

13. Dado: p = 26, n = 30, e = 23. Encuentra todos los valores: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) Notación del ion:

14. Dado: p = 8, n = 8, e = 10. Encuentra todos los valores: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) Notación del ion:

15. Dado: p = 1, n = 0, e = 1. Encuentra todos los valores: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) Nombre del isótopo:

16. Dado: p = 1, n = 1, e = 1. Encuentra todos los valores: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) Nombre del isótopo:

17. Completa la tabla para ⁶⁴₂₉Cu²⁺ (ion cobre(II)): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

18. Completa la tabla para ³¹₁₅P³⁻ (ion fosfuro): (6 puntos)

a ) Z:

b ) A:

c ) p:

d ) n:

e ) e:

f ) Carga:

19. Identifica: una especie tiene 10 electrones, 10 protones y 10 neutrones: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) ¿Átomo o ion?:

20. Identifica: una especie tiene 18 electrones, 17 protones y 18 neutrones: (6 puntos)

a ) Nombre del elemento:

b ) Símbolo del elemento:

c ) Z:

d ) A:

e ) Carga:

f ) ¿Átomo o ion?:

21. ¿Quién propuso por primera vez que la materia está hecha de partículas indivisibles llamadas 'atomos'? (1 puntos)

22. ¿Qué partícula subatómica descubrió J.J. Thomson en 1897? (1 puntos)

23. ¿Qué pretendía probar el experimento de la lámina de oro de Rutherford? (1 puntos)

24. ¿Cuáles son las tres partículas subatómicas principales que se encuentran en los átomos? (Selecciona todas las que correspondan) (1 puntos)

25. ¿Dónde se concentra la mayor parte de la masa de un átomo? (1 puntos)

26. Conceptos de estructura atómica: (14 puntos)

a ) ¿Cuál es la carga de un protón?

b ) ¿Cuál es la carga de un electrón?

c ) ¿Cuál es la carga de un neutrón?

d ) ¿Quién descubrió el neutrón en 1932?

e ) ¿Qué modelo propuso Thomson (a menudo llamado el modelo del pudín de ___)?

f ) ¿Qué determina el número atómico de un elemento?

g ) ¿Qué microscopio utiliza el efecto túnel cuántico para obtener imágenes de los átomos?

h ) ¿Cuál es el tamaño aproximado de un átomo en metros? (10^-?)

i ) ¿Cómo se llaman los átomos del mismo elemento con diferentes números de neutrones?

j ) ¿Qué fuerza mantiene unido el núcleo?

k ) ¿En qué región se mueven los electrones alrededor del núcleo?

l ) ¿Qué científico propuso que los electrones orbitan en niveles de energía fijos?

m ) ¿Qué tipo de microscopio desarrolló Ernst Ruska para ver átomos?

n ) ¿De qué palabra griega proviene 'átomo', que significa 'indivisible'?

27. ¿Qué concluyó Rutherford del hecho de que la mayoría de las partículas alfa pasaran directamente a través de la lámina de oro? (1 puntos)

28. ¿Qué técnicas pueden utilizar los científicos para 'ver' u obtener imágenes de átomos individuales? (Selecciona todas las que correspondan) (1 puntos)

29. ¿Qué modelo del átomo muestra electrones en órbitas circulares específicas? (1 puntos)

30. ¿Cuál es la masa relativa de un protón comparada con un electrón? (1 puntos)

31. ¿Por qué los científicos no podían usar luz visible para ver los átomos? (1 puntos)

32. ¿Qué aportó John Dalton a la teoría atómica? (1 puntos)

33. En el modelo mecánico cuántico moderno, ¿dónde es más probable encontrar electrones? (1 puntos)

34. ¿Quién ganó el Premio Nobel por desarrollar el microscopio electrónico? (1 puntos)