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COLEGIO JORGE ELIÉCER GAITÁN
QUÍMICA I: REPASO 2. ÁTOMO Y TABLA PERIÓDICA.
NOMBRE_______________________________________________________________________CURSO____________________
MATERIA
Es todo aquello que tiene localización espacial, posee una cierta cantidad de energía, y está sujeto a cambios en el tiempo y a
interacciones con aparatos de medida.
ÁTOMO
El átomo es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es
posible dividir mediante procesos químicos.
ESTRUCTURA ATÓMICA
PARTICULAS
ATÓMICAS
BOSONES
(No poseen masa, son
de interacción)
1. FOTON: INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA (partículas con carga eléctrica,
ocurre en todas las formas de radiación)
2. BOSON: INTERACCIÓN DÉBIL (Responsables de la desintegración radioactiva)
3. GLUON: INTERACCIÓN FUERTE (Mantiene unidos protones y neutrones)
4. GRAVITÓN: FUERZA DE GRAVEDAD (Hipotética)
FERMIONES
(Poseen masa, son
Fundamentales)
1. LEPTÓN: Electrón, muón, tauón, neutrinos.
2. QUARKS: U (arriba), C (encanto), T (cima), D (abajo), S(extraño), B (fondo)
HADRONES
(Partículas compuestas)
1. BARIONES, (Son nucleones): Protones, neutrones
NÚCLEO ATÓMICO
1. PROTONES
Se encuentran en el núcleo del átomo, tienen carga positiva. El número de protones de cada átomo
define el elemento químico (número atómico). Los protones están compuestos de tres de quarks,
dos quark arriba (u, up) y un quark abajo (d, down). Experimentalmente, el protón es estable, su
vida media es aproximadamente 1035 años, algunas teorías predicen que el protón puede
desintegrarse en otras partículas.
uentran en e Se Se
2. NEUTRONES
Se encuentran en el núcleo del átomo. La masa de un neutrón es ligeramente más grande que la de
un protón, se componen de tres quarks: un quark arriba (u, up) y dos quark abajo (d, down), cuyas
cargas suman cero, por eso son neutros.
Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo un promedio de vida de 15
minutos; cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. El neutrón,
y la interacción nuclear fuerte son los que mantienen la estabilidad de los núcleos atómicos
ELECTRONES
Éstas son las partículas que orbitan alrededor del núcleo, tienen carga negativa. Los electrones son importantes ya que
intervienen y aportan la mayoría de las propiedades fisco-químicas de los elementos que nos rodean, el magnetismo de un imán es
producido por el ordenamiento de los electrones en una sola dirección, la electricidad, las fuerzas de atracción y repulsión de
cualquier átomo, la conductividad eléctrica y térmica, la oxidación, los enlaces químicos que forman las moléculas, tejidos y
órganos, están basados en la compartición o emisión y aceptación de electrones entre los átomos.
PROPIEDADES ATÓMICAS
1. La masa atómica (A) de un átomo se expresa como A = Z + N, siendo Z el número de protones (número atómico) que en un
átomo neutro es igual al número de electrones y N el número de neutrones. Complete la información que se presenta en la
siguiente tabla:
ELEMENTO
T
NÚMERO
ATÓMICO
Z
(protones)
12
MASA
ATÓMICA
A
20
V
25
18
ELECTRONES
e-
13
U
W
NEUTRONES
N
NOMBRE REAL
DEL
ELEMENTO
(y símbolo)
0
10
14
0
+2
35
X
TIPO DE
ATOMO(de
acuerdo a la
carga)
CARGA
-1
39
19
Y
+1
8
10
-3
ISÓTOPOS: Son átomos del mismo elemento químico que poseen diferente masa atómica, por lo tanto, tienen el mismo número
atómico y diferente número de neutrones. Tienen iguales propiedades químicas.
ISÓBAROS: Son átomos de diferentes elementos químicos, por lo tanto, tienen diferente número atómico y diferente número de
neutrones, tienen igual masa atómica. Sus propiedades químicas son diferentes.
ISÓTONOS: Son átomos diferentes, por lo tanto, tienen diferente número atómico, también tienen diferente número másico
(masa atómica), pero, tienen el mismo número de neutrones.
2. De acuerdo a la tabla anterior, indicar:
A. ¿Se presentan isótopos? ¿Cuáles?_______________________________________________
B. ¿Se presentan isóbaros? ¿Cuáles? _______________________________________________
C. ¿Se presentan isótonos? ¿Cuáles?_______________________________________________
3. Indicar electrones, protones y neutrones para los isótopos de:
ISÓTOPOS
NÚMERO
MASA
ELECTRONES
ATÓMICO ATÓMICA
1
1
HIDRÓGENO
1
2
CARBÓN
OXÍGENO
1
6
6
3
11
12
6
6
8
8
13
14
16
18
PROTONES
NEUTRONES
DATACIÓN POR CARBONO 14
El carbono 14 es un isotopo del carbono. Los isotopos son versiones distintas de un mismo elemento. El método de datación por
radiocarbono es la técnica basada en isótopos para conocer la edad de muestras orgánicas de menos de 45 000 años. Está basado
en la ley de decaimiento exponencial de los isótopos radiactivos. El isótopo carbono-14 es producido de forma continua en la
atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por rayos cósmicos. Estos procesos de generacióndegradación de 14C se encuentran prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente
mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera. El proceso de fotosíntesis incorpora el átomo
radiactivo en las plantas, de manera que la proporción 14C/12C en éstas, es similar a la atmosférica. Los animales incorporan, por
ingestión, el carbono de las plantas. Ahora bien, tras la muerte de un organismo vivo no se incorporan nuevos átomos de 14C a los
tejidos, y la concentración del isótopo va decreciendo conforme va transformándose en 14N por decaimiento radiactivo.
La masa en isótopo 14C de cualquier espécimen disminuye a un ritmo exponencial, que es conocido, a los 5730 años de la muerte
de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Así pues, al medir la cantidad de radiactividad en una
muestra de origen orgánico, se calcula la cantidad de 14C que aún queda en el material. Así puede ser datado el momento de la
muerte del organismo correspondiente. Es lo que se conoce como "edad radiocarbónica" o de 14C, y se expresa en años BP
(pasado-presente). Esta escala equivale a los años transcurridos desde la muerte del ejemplar hasta el año 1950 de nuestro
calendario. Se elige esta fecha por convenio y porque en la segunda mitad del siglo XX los ensayos nucleares provocaron severas
anomalías en las curvas de concentración relativa de los isótopos radiactivos en la atmósfera.
Al comparar las concentraciones teóricas de 14C con las de muestras de maderas de edades conocidas mediante dendrocronología
(datación de los árboles, a partir de los anillos de crecimiento) se descubrió que existían diferencias con los resultados esperados.
Esas diferencias se deben a que la concentración de carbono radiactivo en la atmósfera también ha variado respecto al tiempo.
Hoy se conoce con suficiente precisión (un margen de error de entre 1 y 10 años) la evolución de la concentración de 14C en los
últimos 15.000 años, por lo que puede corregirse esa estimación de edad comparándolo con curvas obtenidas mediante
interpolación de datos conocidos.
4. Qué limitaciones tiene este método de datación?
5. Indicar, número de protones, electrones, neutrones, número atómico y masa atómica en los siguientes elementos:
A) N 0 C) S 0
N +3 – N - 3
– S -2 –
S +2
B) C 0 -
C +4 - C -4
D) Cl 0 – Cl - 1 - Cl +1
TABLA DE DISTRIBUCIÓN ELECTRÓNICA
NÚMEROS CUÁNTICOS
Son valores numéricos que indican las características de los electrones en los átomos. Los números cuánticos son:
• Número cuántico principal (n), indica el nivel de energía donde se encuentra el electrón, asume valores enteros positivos, del 1
al 7.
• Número cuántico secundario (l), indica la región o subnivel en el que se mueve el electrón. Se nombran con letras minúsculas:
s (sharp), p (principal), d (diffuse), f (fundamental).
• Número cuántico magnético (ml), representa la orientación del campo magnético, asume valores del número cuántico
secundario negativo (-l) pasando por cero, hasta el número cuántico positivo (+l).
Orientación de los orbitales
A) Orbitales "s": Los orbitales "s" son esféricamente simétricos.
B) Orbitales "p": La forma de los orbitales p es de dos lóbulos situados en lados opuestos al núcleo. Hay 3 tipos de orbitales p (-1,
0, +1) que difieren en su orientación. De acuerdo a la orientación los orbitales p se denominan px, py, pz. Los orbitales p al igual
que los s, aumentan de tamaño al aumentar el número cuántico principal.
C) Orbitales "d": En el tercer subnivel tenemos 5 orbitales d (-2, -1 ,0, +1, +2) con diferentes orientaciones en el espacio, como
vemos en la figura:
D) Orbitales "f": Son más complejos y de mayor energía; son 7 orbitales f (-3 ,-2, -1, 0, +1, +2, +3). Son importantes para
comprender el comportamiento de los elementos con número atómico mayor a 57.
• Número cuántico espín (ms), describe la orientación del giro del electrón. Este número tiene en cuenta la rotación del electrón
alrededor de su propio eje a medida que se mueve rodeando al núcleo. Asume únicamente dos valores +1/2 y –1/2
6. Hacer la distribución electrónica e indicar número de niveles de energía, número de subniveles, número de electrones en
cada nivel y número de orbitales para los elementos, y los números cuánticos para el último electrón:
Z= 16
Z= 19
Z= 28
7. Dadas las siguientes distribuciones electrónicas deducir el número atómico (Z), período, grupo y región al cual pertenecen
cada uno de los siguientes elementos y los números cuánticos para el último electrón:
A. 1S2 2S2 2P6 3S2 3P5
B. 1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 4S2 3d7
C. [Kr] 5S2 4d7
D. [Kr] 4d10 5S2 5P3
E) [Xe] 6S2 4f10
8. La siguiente información corresponde a los cuatro números cuánticos del último electrón, determinar a qué elemento
pertenece:
A) 2, 1, +1, -1/2
B) 3, 0, 0, +1/2
C) 4, 1, -1, -1/2
D) 3, 2, 0, -1/2
9. Un ión es una especie química que ha ganado o perdido electrones y por lo tanto tiene carga. La configuración electrónica
para un átomo neutro "P" con Z = 19 es 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1. De acuerdo con esto, la configuración electrónica más probable
para el ión P2+ es
A. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2
C. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
B. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
D. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1
10. Los átomos pueden ganar o perder electrones. Cuando esto sucede su carga varía. Si un átomo neutro de helio con Z = 2
ganara un electrón, se obtendrá como resultado un átomo de
A. helio (Z=2), cargado negativamente.
C. helio (Z=2), neutro.
B. litio (Z=3), neutro.
D. litio (Z=3), cargado positivamente
11. El grupo, periodo y subnivel de la configuración electrónica [Ar] 4s 2 3d10 4p4 es
A. Grupo 4, periodo 4, subnivel d
C. Grupo 4, periodo 4, subnivel p
B. Grupo 6, periodo 3, subnivel p
D. Grupo 6, periodo 4, subnivel p
RADIACTIVIDAD
La radiactividad es una propiedad de ciertos elementos químicos cuyos núcleos atómicos son inestables: con el tiempo, para cada
núcleo llega un momento en que alcanza su estabilidad al producirse un cambio interno, llamado desintegración radiactiva, que
implica un desprendimiento de energía conocido de forma general como radiación. El núcleo de un isótopo radiactivo emite tres
tipos de radiación:
1. Desintegración Alfa
Un núcleo demasiado pesado para ser estable expulsa partículas alfa, consistente en dos protones, y dos neutrones, que deja al
núcleo con masa de cuatro unidades menor y un número atómico dos unidades más bajas, es decir, dos pasos atrás en la tabla
periódica. La desintegración alfa es frecuente entre los elementos naturales más pesados (uranio, polonio, y radio).
Las partículas alfa tienen una energía de hasta 5.000.000 de electrovoltios, pero son tan voluminosas que sólo pueden atravesar
unos 25 mm de aire y se ven detenidas por una simple hoja de papel o por la parte más externa de la piel humana. Sin embargo,
por esta misma razón produce serios daños en el interior del cuerpo humano cuando son emitidas por materiales alfa – activos
absorbidos inadvertidamente como polvo transportado por el aire, o través de heridas contaminadas.
2. Desintegración Beta
Ocurre en un núcleo con demasiados neutrones, uno de estos puede transformarse en un protón y en un electrón, que es
expulsado en el núcleo. El electrón emitido de esta forma recibe el nombre de partícula β. El núcleo queda con una carga positiva
más, con su número atómico en una unidad más alta y, por lo tanto, un lugar más arriba en la tabla periódica. Las partículas β son
capaces de penetrar varios metros de aire, unos cuantos centímetros de tejido corporal o varios mm de metal o de plástico. Puede
producir serias quemaduras superficiales o importantes daños internos.
3. Desintegración gamma
Los rayos gamma son una radiación electromagnética como los rayos X. Su intensidad se reduce al pasar a través de la materia en
un grado que dependerá de su propia energía y de la densidad física del material absorbente. Los rayos gamma no son detenidos
como las partículas alfa o beta. Pueden necesitarse entre 5 y 25 centímetros de plomo o hasta 3 m de hormigón (concreto utilizado
en la construcción) para conseguir una protección adecuada contra los rayos gamma de alta energía. El exceso de radiación
gamma externa puede causar graves daños internos al organismo humano.
Otras formas de desintegración radiactiva son la transformación interna, en la que una reorganización interior del núcleo da como
resultado la emisión de rayos X, o la captura de electrones, en la que un núcleo con demasiados protones captura un electrón de
una órbita interna del propio átomo, convirtiendo así un protón y el electrón capturado en un neutrón, con emisión de rayos X y
descenso de un lugar en la tabla periódica.
12. Elabore una lista de elementos radiactivos, (con nombre y símbolo), especifique si son naturales o sintéticos.
13. Consultar, realizar esquemas y analizar los postulados de los siguientes modelos atómicos:
A. Dalton.
B. Thomson.
C. Rutherford.
D. Bohr.
E. Modelo actual.
ARMAS NUCLEARES
Un arma nuclear es un explosivo de alto poder que utiliza la energía nuclear.
FISIÓN NUCLEAR
Se entiende por fisión, la división de un núcleo muy pesado en un par de núcleos de masa menor, proceso en el cual se libera gran
cantidad de energía. La fisión se produce porque al captar un neutrón, el núcleo oscila y se deforma, pierde su forma esférica
adquiriendo la figura de un elipsoide entre cuyos extremos se produce una repulsión electrostática que puede llegar a provocar la
rotura del núcleo pesado en dos fragmentos.
Puesto que la relación neutrones - protones es más elevada en el elemento original, que en los dos núcleos formados en la fisión,
quedan dos neutrones en exceso que se liberan con gran energía. Si estos neutrones no son captados por núcleos de otros
elementos pueden provocar nuevas fisiones, siempre y cuando se hayan convertido en neutrones lentos mediante moderadores.
Se logra así un proceso en cadena.
La energía liberada en la fisión de 1 g de uranio-235 es del orden de 108 KJ, es decir unos dos millones de veces la energía que se
obtiene por combustión de 1 g de petróleo.
FUSIÓN NUCLEAR
Es la unión de dos núcleos livianos acompañada por una liberación de energía.
Además de en la fisión de núcleos de átomos pesados, también se libera energía en la formación de núcleos intermedios a partir
de núcleos muy ligeros, por ejemplo, de deuterio, 2H, y de tritio, 3H. Este proceso se conoce como fusión nuclear. Una reacción de
fusión típica es la unión de un núcleo del deuterio y uno de tritio para dar un núcleo de Helio y un neutrón; por gramo de
combustible, esta reacción libera de tres o cuatro veces más energía que una reacción de fisión. La energía liberada corresponde a
la diferencia de masa entre el núcleo formado y sus constituyentes.
Las reacciones de fusión son las responsables de la energía que emiten el Sol y las estrellas, en cuyo interior la temperatura es del
orden de 20 millones de grados y los átomos de hidrógeno están completamente ionizados. A diferencia de lo que ocurre con la
fisión, los productos que se forman en las reacciones de fusión no son radiactivos y, además, los isótopos ligeros necesarios para la
fusión son comunes (por ejemplo el deuterio existe en el mar), de ahí las grandes esperanzas depositadas en llegar a producir
energía a partir de un proceso de fusión. El problema más importante planteado estriba en que los núcleos que se fusionan deben
poseer suficiente energía para vencer las fuerzas electrostáticas de repulsión, lo que exige temperaturas de millones de grados. El
material se hallará así en estado de plasma, y este plasma debe confinarse durante un tiempo suficientemente largo en un
volumen no muy grande para que se produzca una reacción auto sostenida.
Consultar:
14. Reactores nucleares: cómo funcionan, países que los utilizan.
15. Accidentes nucleares: chernobyl, Japón 2011 (accidente nuclear producido por un tsunami)
16. Bombas atómicas: Hiroshima y Nagasaki
17. Convenios sobre el uso de armas nucleares, países que no están en el convenio (corea del norte…)
TABLA PERIODICA
La tabla periódica de los elementos, es un esquema que permite clasificar y organizar los elementos químicos según sus
propiedades y características, es decir dispuestos por orden de número atómico creciente y en una forma que refleja la estructura
de los elementos.
18. Consultar y hacer esquemas sobre la evolución de la tabla periódica.
19. Consultar como está organizada la tabla periódica actual. Explicar.
20. Consultar las características y otro nombre para cada grupo de los elementos representativos de la tabla periódica actual.