reflexiona Imagina que tienes un tazón de naranjas, plátanos, piñas, bayas, peras y sandía. Cómo identificas cada trozo de fruta? Es muy probable que estés familiarizado con las características de cada fruta como color, tamaño y forma. Por ejemplo, sabes que una sandía es grande, verde y ovalada, mientras que las bayas, como los arándanos, son pequeñas, redondas y de color azul oscuro. Al igual que la fruta con la que estás familiarizado, los elementos (y los átomos que los forman) tienen propiedades que nos ayudan a identificarlos. Cuáles son estas propiedades? Afectan la forma en que los elementos reaccionan con otros elementos? Número atómico Recuerda que los átomos contienen tres partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Los protones tienen carga positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen carga negativa. Los átomos del mismo elemento siempre tiene el mismo número de protones. El número de protones en un átomo es igual al número atómico del elemento. Un elemento se puede distinguir de otro elemento por su número atómico. Por ejemplo, un átomo de carbono tiene siempre seis protones. Un átomo de carbono neutro tiene seis protones y seis neutrones en el núcleo. Debido a que es neutro, es decir, que no tiene carga eléctrica, este átomo de carbono también tiene seis electrones en las órbitas que rodean al núcleo. Cada carga positiva cancela la carga negativa. atención! No todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número de neutrones. Cuando el número de neutrones varía entre los átomos del mismo elemento, se llaman isótopos. El diagrama de la derecha muestra dos isótopos de helio. Un átomo de helio contiene un neutrón en su núcleo, mientras que el otro tiene dos. Observa que el número de protones es el mismo en ambas formas de helio. Niveles de energía En un átomo, los electrones están ubicados afuera del núcleo en una nube de electrones. Una nube de electrones se dispone en grupos conocidos como niveles de energía. Debido a que un electrón está 7
siempre en movimiento, se ubica en uno de los diferentes niveles de energía, pero nunca entre dos niveles de energía. Los niveles de energía están en grupos que dependen de su distancia al núcleo. Los electrones en un nivel de energía cerca del núcleo tienen menos energía que los electrones en un nivel de energía más lejos del núcleo. Cada nivel de energía, además, puede contener un número máximo de electrones. Por ejemplo, el primer nivel de energía que está más cerca del núcleo puede contener dos electrones. El siguiente nivel de energía puede contener ocho electrones. Los electrones en cada nivel inferior completan el nivel antes de que los electrones completen el nivel de energía más alto. Por lo tanto, los dos electrones en el primer nivel de energía completan el nivel antes de que los electrones comiencen a completar el segundo nivel de energía. Veamos un átomo de carbono. Los niveles de energía se pueden representar como círculos que rodean al núcleo, como se muestra en el diagrama de la derecha. Recuerda que el carbono tiene un número atómico de seis átomos, por lo tanto contiene seis protones en su núcleo. Imagina que el átomo de carbono es neutro. Tiene seis electrones. Dos electrones completan el primer nivel de energía más cercano al núcleo. Hay cuatro electrones en el segundo nivel de energía más alejado del núcleo. qué piensas? Observa el diagrama de un átomo a continuación. La letra e- representa los electrones, la letra p representa los protones y la letra n representa los neutrones. Cuál es el número atómico del átomo? Cuántos electrones hay en el nivel de energía más alto? 8
Electrones de valencia Los electrones que se encuentran en el nivel de energía más alto son los que están más alejados del núcleo. Estos electrones están en el nivel más externo y se llaman electrones de valencia. Determinan cómo reacciona el átomo con otros átomos. Normalmente, los átomos son estables cuando tienen un orbital de valencia lleno. Esto se denomina regla del octeto. Los átomos con ocho electrones en el orbital de valencia son los más estables. Esto es así para la mayoría de los átomos, excepto el hidrógeno y el helio. Estos dos elementos tienen un orbital de valencia lleno con dos electrones porque solo tienen un nivel de energía. Los átomos pueden cumplir la regla del octeto, ya sea compartiendo o transfiriendo electrones de valencia. Por lo tanto, los electrones de valencia determinan las propiedades químicas de un átomo, ya sea que un átomo comparta o transfiera electrones, cuando se forman nuevas moléculas durante un cambio químico. La reactividad de un átomo es qué tan fácil y rápido interactúan sus electrones de valencia con los electrones de valencia de otros átomos. Los átomos de los metales tienden a transferir electrones a los no metales cuando reaccionan. Los átomos de los no metales tienden a ganar o compartir electrones cuando reaccionan. Observemos las maneras en que las moléculas comparten y transfieren electrones de valencia. Compartir electrones: Algunas moléculas comparten electrones de valencia entre los átomos. Comúnmente, cuando dos o más no metales forman una molécula, los electrones de valencia se comparten entre los átomos. Por ejemplo, el agua se forma cuando se comparten dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada átomo de hidrógeno tiene un electrón de valencia y necesita más de un electrón para completar su nivel de energía externo. El átomo de oxígeno tiene seis electrones de valencia y necesita dos electrones para completar su nivel de energía externo. Cada átomo de hidrógeno comparte un electrón con el átomo de oxígeno y el átomo de oxígeno comparte un electrón con cada átomo de hidrógeno. Esto completa los tres niveles de energía externos de los átomos. molécula: grupo de dos o más átomos metales: grupo de elementos, generalmente sólidos, con una superficie brillante no metales: elementos que carecen de las propiedades de los metales 9
Transferir electrones: A veces se transfieren electrones entre los átomos cuando se forman moléculas. Cuando un metal reacciona con un no metal, se transfieren electrones de valencia desde el átomo metálico al átomo no metálico. Un ejemplo común de esto es el cloruro de sodio (NaCI), o sal de mesa. Un átomo de sodio (Na) tiene un electrón de valencia. Un átomo de cloro (CI) tiene siete electrones de valencia. El átomo de sodio dona, o transfiere, su electrón externo al átomo de cloro. Los iones, o átomos con carga, se forman cuando se transfieren electrones de valencia entre los átomos. En el caso del cloruro de sodio, el sodio dona un electrón al cloro. Ahora, el sodio contiene un protón más que el electrón, dándole una carga positiva. El átomo de cloro obtiene un electrón. De este modo, el átomo de cloro tiene una carga negativa. Perspectiva técnica: El microscopio electrónico Los científicos han descubierto que los electrones se pueden usar para brindar incluso mayores detalles de pequeños objetos que un microscopio óptico estándar. En un microscopio electrónico, los electrones se concentran en un rayo, que viaja a través del objeto que se está observando. Algunos electrones se dispersan cuando pasan a través del objeto, mientras que otros electrones no. Los electrones que no se dispersan producen una imagen del objeto. A causa de esto, un microscopio electrónico puede tener una resolución casi 1,000 veces mayor que un microscopio óptico. El microscopio electrónico se usa para ver detalles muy finos de diferentes objetos. Las industrias pueden usar un microscopio electrónico para estudiar detalles de diferentes materiales para determinar si se desgastan o se rompen con el paso del tiempo. Los biólogos pueden usar uno para estudiar detalles muy pequeños de organismos o células. Estas imágenes de alta resolución pueden brindar detalles que no se pueden ver con los microscopios comunes. Un microscopio electrónico permite a los científicos ver detalles pequeños de los organismos, como este ácaro. 10
Qué tanto sabes? En la siguiente lista se enumeran cinco átomos. Usa la información proporcionada para cada átomo para completar la información que falta. Escribe tu respuesta en la columna correcta de la tabla. Recuerda que los átomos estables tienen un octeto completo. Átomo Número de electrones de valencia Número de protones Número atómico Reactividad (estable or reactivo) Calcio (Ca) 2 20 Litio (Li) 1 3 Argón (Ar) 8 18 Helio (He) 2 2 Potasio (K) 1 19 11
conéctese con su hijo Modelos de iones Para ayudar a su hijo a aprender más acerca de los iones, trabajen juntos para crear un modelo de transferencia de electrones. Necesitarán los siguientes materiales: Protones: 28 objetos redondos pequeños del mismo color, como dulces o trozos de cereal redondos Neutrones: 28 objetos redondos pequeños del mismo color, como dulces o trozos de cereal redondos. Use un color diferente al que usó para los protones. Electrones: 28 objetos redondos pequeños del mismo color, como dulces o trozos de cereal redondos. Use un color diferente al que usó para los protones y neutrones. Un hoja de papel grande Pida a su hijo que cree dos átomos acomodando los protones, neutrones y electrones sobre una hoja de papel grande, según la siguiente información: El número atómico del primer átomo es 11. El átomo es neutro. El número atómico del segundo átomo es 17. El átomo es neutro. Luego, pida a su hijo que mueva los electrones de un átomo al otro átomo para modelar la transferencia de electrones. Su hijo debe saber que el primer átomo con 11 protones es reactivo y debe transferir su electrón al otro átomo. De ser necesario, guíe a su hijo haciendo preguntas sobre el número de electrones de valencia en cada átomo. Hágale a su hijo las siguientes preguntas mientras hacen esta actividad: Cómo puedes identificar los elementos representados por tus modelos? Por qué mueves los electrones de cierto modo, para modelar la transferencia de electrones? Cómo cambia la carga de los átomos una vez que se transfirió el electrón? Cómo puedes hacer un modelo similar de átomos que comparta electrones? 12