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Física y Química 2º ESO Unidad 6. Clasificación de los elementos. Estructura atómica - 1 -

(clasesfisicayquimica.blogspot.com): por José Antonio Navarro ([email protected])

UNIDAD 6. CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS.

ESTRUCTURA ATÓMICA.

1. Clasificación de los elementos. Sistema periódico.

2. Fórmula química de una sustancia.

3. Formulación y nomenclatura de sustancias.

4. Propiedades eléctricas de la materia.

5. Estructura atómica.

1 CLASIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS. SISTEMA PERIÓDICO.

Introducción histórica:

Actualmente se conocen 118 elementos químicos (tipos de átomos), de los cuales 90 se dan en la naturaleza. El resto

han sido creados en laboratorio a partir de otros átomos.

Sin embargo, hasta 1700 sólo se conocían 12 de estos elementos. Fue con la introducción de medidas precisas en las

reacciones cuando se pudieron aislar nuevos elementos, como el Hidrógeno (1766), Nitrógeno (1772), Oxígeno (1774),

etc. Durante el siglo XIX, gracias a la teoría atómica de Dalton, hacia 1829 el número de elementos conocidos crece hasta

55.

Ante tal abundancia de elementos diferentes, una cuestión que se plantea es la de hacer una clasificación de dichos

elementos, buscando propiedades que tengan en común. Se estudian tanto propiedades físicas (densidad, T.F., T.E.) como

químicas (capacidad de reaccionar con otros elementos, como oxígeno, hidrógeno...).

La clasificación de los elementos es fruto del trabajo de muchos científicos durante varios siglos. Podemos citar al

francés Lavoisier (que clasificó los elementos conocidos hasta entonces en metales no metales), a los ingleses Priestley y

Newlands, al alemán Döbereiner, y otros. Pero el principal paso en la clasificación lo dieron en torno a 1870 dos científicos

que trabajaron por separado: el ruso Dimitri Mendeleiev y el alemán Lothar Meyer, que establecieron la clasificación (tabla

periódica) por filas y columnas.

Clasificación actual:

La clasificación periódica actual de los elementos químicos es una ampliación de la

de Mendeleiev y Meyer. Sigue estos criterios de clasificación:

- Los elementos están clasificados por orden de número atómico creciente.

- En la misma columna (vertical) están situados los elementos con propiedades (físicas

y químicas) parecidas.

- La masa atómica también aumenta al ir avanzando en la tabla periódica, salvo

algunas excepciones (Ver ejercicio 3.2).

Las filas (horizontales) de la tabla se denominan periodos: están numerados del 1 al 7.

Las columnas, que contienen elementos con propiedades parecidas, se denominan grupos o familias: están

numeradas del 1 al 18. La mayoría de ellas tienen además un nombre propio.

13. Boroideos 14. Carbonoideos 15. Pcnitógenos 16. Calcógenos 17. Halógenos 18. Gases nobles



Las dos filas de elementos que aparecen aisladas del resto de la tabla, están así sólo por hacer una tabla más

compacta. Si nos fijamos en el orden de número atómico, vemos que la primera de las filas (Lantánidos) corresponde al

periodo 6 y van a continuación del Lantano. La fila de los actínidos corresponde al periodo 7 a continuación del Actinio.

Los 28 elementos que componen las “tierras raras”, como se les conoce, al tener propiedades parecidas a La y Ac se

consideran todos del grupo III.

Dentro de la tabla, los elementos están clasificados en dos grandes grupos:

Metales y No Metales. Cuanto más a la izquierda y debajo de la tabla, más

acentuado es el carácter metálico; mientras que cuanto más a la derecha y arriba

de la tabla, mayor es el carácter no metálico. Existen elementos con propiedades

intermedias entre metales y no metales, se denominan semimetales.

Ejercicio 1.1: Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. En caso de que alguna sea falsa,

explica por qué.

a) “En la antigüedad ya se conocían la mayoría de los elementos químicos que conocemos actualmente”.

b) “Los elementos del mismo periodo de la tabla periódica actual poseen propiedades parecidas”.

c) “Lavoisier estableció la clasificación por filas y columnas”.

d) "Los elementos químicos están clasificados en la tabla periódica únicamente por orden de masas atómicas."

e) "Los elementos químicos que están en el mismo grupo tienen propiedades parecidas."

Ejercicio 1.2: En la tabla periódica, la masa atómica crece conforme avanzamos de un elemento químico al

siguiente. Esto se cumple, salvo en algunas excepciones (hay tres entre los elementos más conocidos)

a) ¿Cuáles son? (Recuerda que debes buscarlas entre aquellos elementos que tienen masa atómica bien conocida,

con decimales, las que están entre paréntesis no se conocen con exactitud).

b) ¿Por qué crees que esos elementos no están colocados por orden de masa atómica creciente?

Ejercicio 1.3:

a) ¿Qué aportación hizo Lavoisier a la clasificación de los elementos químicos? ¿Y Mendeleiev?

b) ¿En qué grupo están situados los Lantánidos y los Actínidos? ¿Y en qué periodos?

c) ¿En qué parte de la tabla están situados los no metales?

d) ¿Cuál es el grupo de los metales alcalinos? ¿Y el de los halógenos? ¿Y el de los gases nobles?

Ejercicio 1.4:

a) Busca en la tabla el periodo y el grupo en el que están situados estos elementos: H, Fe, O, P, Kr, Ba, W, U, Au,

Ca, Al

b) ¿Qué elementos químicos están colocados en estas posiciones de la tabla periódica?

Grupo 2 18 13 1 15 17 8 3 12 11

Periodo 5 2 4 7 3 5 4 7 6 5

Elemento

Símbolo



2 FÓRMULA QUÍMICA DE UNA SUSTANCIA

Para identificar las sustancias y, sobre todo, para ver cómo reaccionan y poder realizar cálculos,

usamos las fórmulas químicas.

La fórmula química de una sustancia nos indica el número de átomos de cada elemento (de cada

tipo) que hay en una molécula de esa sustancia.

Explicamos este concepto con un ejemplo: el agua. En una gota de agua existen trillones de

moléculas de agua, y todas son iguales unas a otras. Cada molécula de agua está formada por un átomo de

oxígeno y dos de hidrógeno. La fórmula del agua será entonces H2 O.

En la fórmula química se colocan los símbolos de cada elemento y, como subíndice, el número de átomos que hay

de ese elemento. El orden en el que se colocan, y el nombre de las sustancias, ya lo estudiaremos en el siguiente apartado.

Ácido sulfúrico: Metano Butano

H2 S O

4 C H

4 C

4 H

10

Dióxido de carbono: Amoniaco: Oxígeno: Nitrógeno:

C O2 N H

3 O

2 N

2

Existen sustancias que no forman moléculas. En ellas los átomos se unen unos a otros, formando una red. A estas

estructuras ordenadas se les llama redes cristalinas. Los metales, la sal común, el diamante o el grafito son ejemplos de

sustancias cristalinas.

En las sustancias cristalinas, la fórmula química indica la proporción de átomos de cada tipo que hay en la red.

Sal común Grafito

(Cloruro de sodio) C

Na Cl

Ejercicio 2.1: Completa el esquema del apartado:

La fórmula química de una sustancia indica En la fórmula, los elementos químicos se representan mediante sus Los subíndices indican Las fórmulas químicas sirven para Muchas sustancias no forman moléculas, sino En ese caso, la fórmula indica

Ejercicio 2.2: La fórmula del amoniaco es NH3: ¿qué significa dicha fórmula? ¿Es una sustancia simple o compuesta?

Ejercicio 2.3: Clasifica estas sustancias en simples o compuestas.

C O2 N

2 H N O

3 Cu

O3 He Fe O Na Cl

Ejercicio 2.4. a) La fórmula del ácido sulfúrico es H2 S O

4 ¿Qué significa esa fórmula? ¿Es una sustancia simple

o compuesta? ¿Por qué?

b) Razona lo mismo del apartado anterior con el ozono, cuya fórmula es O3.



3 FORMULACIÓN DE SUSTANCIAS (NOMENCLATURA DE COMPOSICIÓN).

Cada sustancia (simple o compuesto) se caracteriza por su molécula, que a su vez está compuesta por átomos (de uno o

de varios elementos químicos).

La fórmula de una sustancia nos indica cuántos átomos de cada tipo hay en cada molécula (o en cada

“unidad básica” de la red cristalina). Ejemplo: en una molécula de metano hay cuatro átomos de hidrógeno y

uno de carbono, la fórmula es CH4 .

FORMULACIÓN DE SUSTANCIAS SIMPLES:

Las sustancias simples poseen un único tipo de átomo en la molécula (o en la “unidad básica” de la red cristalina). Para

formularlas, basta con indicar el símbolo del elemento correspondiente, y para nombrarlas, indicar el nombre de dicho

elemento. (Ej: Hierro = Fe ; C = Carbono)

Existen excepciones: algunas moléculas de sustancias simples son diatómicas (poseen dos átomos en la molécula),

aunque el nombre no lo indique. Otras tienen un mayor número de átomos en la molécula.

H2: Hidrógeno F

2: Flúor I

2: Yodo O

3: Ozono

N2: Nitrógeno Cl

2: Cloro

O2: Oxígeno Br

2: Bromo

FORMULACIÓN DE COMPUESTOS: Según la nomenclatura sistemática (o de la I.U.P.A.C: International United of

Pure and Aplied Chemistry, que en español sería Unión Internacional de Química Pura y Aplicada)

COMPUESTOS BINARIOS (dos tipos de elementos en la molécula)

Nomenclatura: Nombrar la fórmula consiste en leerla de derecha a izquierda, indicando el número de átomos de cada

tipo según los siguientes prefijos:

1: mono (normalmente no se dice) 4: tetra 7: hepta 10: deca

2: di 5: penta 8: octa

3: tri 6: exa (o hexa) 9: nona

Al primer elemento que se lee, al de la derecha, se le añade la terminación URO, (salvo el oxígeno, que siempre se lee

Óxido). El elemento de la izquierda NO se modifica, se dice su nombre.

Los elementos que modifican su terminación, quedan así.

F: fluoruro Cl: cloruro Br: bromuro I: yoduro O: óxido S: sulfuro

Se: selenuro Te: telururo N: nitruro P: fosfuro As: arsenuro C: carburo

B: boruro H: hidruro

Ejemplos:

Na Cl : cloruro de sodio; Fe2S

3 : trisulfuro de dihierro; N

2O

5: pentaóxido de dinitrógeno

Mg H2 : dihidruro de magnesio; CO: monóxido de carbono SO

2 : dióxido de azufre.

H Br: bromuro de hidrógeno Pb H4: tetrahidruro de plomo Cl

2O

7: heptaóxido de dicloro

Formulación: Se escribe el número de átomos de cada tipo. El orden en el que se escriben viene dado por el nombre,

pero existe un criterio. Se coloca en primer lugar el elemento situado más a la izquierda en la tabla periódica (a estos

efectos se considera como si el hidrógeno estuviera situado entre los grupos 15 y 16, entre el nitrógeno y el oxígeno; así

se escribe BH3, NH

3, FeH

2 ; y H

2O, H

2S, HCl).

Casos particulares: Existen algunos compuestos que tienen nombre propio, y normalmente se conocen por ese

nombre. (aunque también posean su nombre sistemático). Aquí tienes algunos ejemplos:

H2O: agua NH

3: amoniaco CH

4: metano HCl: ácido clorhídrico

C4H

10: butano C

6H

6: benceno



Ejercicio 3.1. Nombra estas sustancias (haz este ejercicio en el cuaderno)

Na Cl C O2 C Cl4 N2 Fe O Fe2 O3 AuN Na2 O H Cl Mg F2 Cl2O5 S O3 Ni H3 Sr H2 K2 S O3 I2O7 C2 H6 H Br C O

Ejercicio 3.2. Formula estas sustancias (haz este ejercicio en el cuaderno)

tetrahidruro de carbono: oxígeno: sulfuro de dihidrógeno: cloro:

dicloruro de zinc: trisulfuro de diníquel: dióxido de plomo: selenuro de dicobre:

nitruro de tripotasio: Dihidruro de calcio óxido de dilitio trifluoruro de cobalto

óxido de mercurio: hierro trihidruro de Boro: pentacloruro de fósforo

trióxido de dihierro óxido de dinitrógeno dióxido de nitrógeno yoduro de plata:

4. PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LA MATERIA.

Seguro que alguna vez has jugado a frotar un bolígrafo

contra un jersey y luego atraer con él trocitos de papel. Con

un globo también conseguimos un efecto parecido. Si tienes el

pelo largo, puede que al peinarte, a veces el pelo se queda

“pegado” al peine. En otras ocasiones, al tocar un objeto

metálico, notamos un pequeño chispazo (nos da calambre). A

mayor escala, estamos rodeados de aparatos que funcionan

con corriente eléctrica, o hemos visto rayos en una tormenta.

¿Qué tienen en común todas estas experiencias cotidianas?

Pues nos muestran que la materia tiene propiedades

eléctricas. Existe una propiedad de la materia, la carga eléctrica, que es la

responsable de los fenómenos eléctricos (del mismo modo que la masa es la

responsable de la gravedad y la inercia de los cuerpos).

Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva (+) y negativa ( - ). Sabemos que:

Dos cuerpos con carga del mismo signo (+,+ o - , - ) se repelen (se alejan)

Dos cuerpos con carga de distinto signo (+ , - ) se atraen (se acercan)

Ahora bien, si existen las cargas eléctricas, ¿cómo es que la mayoría de los cuerpos son neutros, no tienen carga

normalmente, y sólo se pone de manifiesto al frotar, o al conectarlo a una pila? ¿Es que los cuerpos neutros no tienen

carga de ningún tipo? La respuesta es NO. Todos los cuerpos tienen tanto cargas positivas como negativas, lo que ocurre

es que un cuerpo neutro tiene el mismo número de cargas positiva como negativas. La carga neta (la carga total) será cero.

Partículas con carga: protones y electrones

Pero, ¿dónde está la carga? Según el modelo de Dalton, los átomos son partículas macizas, indivisibles, sin partes por

dentro. Pero este modelo no incluye las cargas eléctricas, y no es capaz de explicar todos los fenómenos eléctricos que

hemos visto.

En 1897 J.J. Thomsom descubrió unas partículas de carga negativa que están presentes en todos los átomos: los

electrones. Posteriormente , en 1919, E. Rutherford descubrió los protones, partículas de carga positiva que también

están en todos los átomos. Es decir, los átomos están formados por partículas más pequeñas. Los electrones pueden



moverse de un átomo a otro, circular de un átomo a otro del metal de un cable… son los responsables de la corriente

eléctrica, los rayos, etc.

¿Cómo es que los átomos son neutros? Porque tienen el mismo número de protones(+) que de electrones( - )

Electrización:

¿Y qué ocurre al frotar? Pues que, con el rozamiento,

un cuerpo le quita electrones al otro. Así, el cuerpo que

ha perdido cargas negativas se queda con más carga

positiva, y el cuerpo que las ha ganado, se queda con

carga negativa. Hablamos entonces de electrización

por frotamiento.

Si un cuerpo con carga eléctrica se pone en contacto

con un cuerpo neutro, pueden pasar cargas de un cuerpo

a otro. Se ha producido electrización por contacto.

También puede electrizarse un cuerpo de forma momentánea si le acercamos otro cuerpo cargado. Es lo que pasa al

acercar el bolígrafo frotado a los trocitos de papel. La carga negativa del bolígrafo atrae a las cargas positivas que hay en el

papel. Esta fuerza, aunque pequeña, puede mover los trozos de papel sin son de tamaño reducido. Se da entonces

electrización por inducción.

Ejercicio 4.1:

a) ¿Qué ocurre cuando un cuerpo pierde electrones? ¿Y cuándo los gana?

b) ¿En qué consiste la electrización por frotamiento? Explica qué partículas pasan de un cuerpo a otro.

Ejercicio 4.2:

a) Quién descubrió los electrones? ¿Y los protones?

b) ¿Por qué la mayoría de los cuerpos son neutros?

EXPERIENCIA PARA CASA: Construye un electroscopio.

Un electroscopio es un aparato que nos permite medir el grado de electrización de un objeto. Consiste en dos láminas metálicas muy finas que cuelgan paralelas entre sí. Puedes construirlo cogiendo una tira larga y fina de papel de aluminio, doblándola por la mitad y sujetándola con una pinza de la ropa (que es aislante) como indica la figura. Para comprobar cómo funciona, frota un globo contra algo de lana y acércalo a la parte de arriba del electroscopio. ¿Qué sucede?



5 ESTRUCTURA ATÓMICA.

Hasta ahora hemos considerado los átomos como si fueran esferas macizas, sin

estructura interna. Eso era lo que se suponía hasta finales del s. XIX. Actualmente

sabemos que los átomos de cualquier elemento están formados por partículas más

pequeñas. Según el número de partículas que tengan, los átomos serán de un tipo o de

otro.

La estructura interior de los átomos se conoce gracias a la contribución de muchos

científicos a lo largo de la segunda mitad del s. XIX y la primera mitad del s. XX. Entre

estos científicos, podemos destacar a Thomsom, Rutherford, Chadwick, Böhr,

Heisemberg, Schrödinger, y otros.

Aunque en realidad el átomo es más complicado de lo que vamos a ver aquí, nos

conformaremos con un modelo simple: el modelo que propuso Rutherford, y que fue

ampliado posteriormente:

Según este modelo, existen tres partículas más pequeñas dentro del átomo:

protones, electrones y neutrones.

En todo átomo se distinguen dos partes:

Núcleo:

- Es la parte central del átomo.

- Su tamaño es muy pequeño en comparación con el del átomo (unas

10.000 veces más pequeño)

- Casi toda la masa del átomo (el 99,95 %) está concentrada en él. Podemos

decir que la masa del núcleo es aproximadamente la masa del átomo

- Contiene en su interior dos tipos de partículas:

Protones ( p+

) Carga + , Masa ~ 1 uma

Neutrones ( n ) Neutro (sin carga), Masa ~ 1 uma

Corteza:

- Rodea al núcleo. En su inmensa mayoría es espacio vacío (por eso tiene

tan poca masa).

- En ella están los electrones, dando vueltas a gran velocidad alrededor del

núcleo, como los planetas alrededor del Sol

Electrones ( e-

) Carga - Masa ~ 1/1800 uma

- Los electrones están distribuidos en capas, a diferentes distancias del

núcleo.

El número de partículas que haya de cada tipo nos dirá de qué elemento se

trata y qué características tiene. Concretamente, el número de protones se

conoce como número atómico (Z), e identifica al elemento químico, y marca el número de orden en la tabla periódica.

Ejercicio 5.1: Explica las diferencias entre:

a) Núcleo y corteza del átomo.

b) Electrones y protones.

c) Protones y neutrones.

Ejercicio 5.2:

b) ¿Por qué los átomos son neutros?

c) ¿Por qué los electrones se quedan dando vueltas al núcleo y no se escapan?

Ejercicio 5.3:

a) ¿Cuántos protones tiene en su núcleo un átomo de: hidrógeno, oxígeno, hierro, oro, uranio ?

b) a partir del número de protones, busca de qué elemento se trata: 2, 6 , 43 , 49 , 94, 112

Para hacernos mejor idea del

tamaño del átomo, veámoslo con un

ejemplo: Imaginemos que un átomo

tuviera el tamaño de un campo de

fútbol. A esa escala, el núcleo sería

una canica (una bolita de 1 cm)

puesta en el centro. Los electrones

serían cabecitas de alfiler (y pocas)

dándole vueltas a distintas

distancias. El resto (es decir,

prácticamente todo) sería espacio

vacío.

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