Quimica 3

Química

•

Exatas

Daniela Diaz

24/10/2023

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Química

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3año
3año
Química
Química
Desde su propio nombre, Conexos -el conjunto
de bienes educativos que hemos elaborado para
afrontar los nuevos retos de la Educación Media- está
comprometido con un mundo de interrelaciones, en el que
los saberes no son estáticos ni están encerrados en espacios
restringidos, sino que andan en constante movimiento,
dispersos en infi nitas redes. Estos materiales didácticos
apuntan a potenciar los vínculos, activar los contactos,
descubrir los enlaces.
El aprendizaje signifi cativo, que cultivamos como una de
las premisas conceptuales de todos nuestros materiales
didácticos, tiene una importancia creciente en esta serie,
pues atiende las necesidades de estudiantes que ya han
avanzado a otra fase de su educación formal. La necesidad
de que las competencias adquiridas sean útiles para la vida
es en Conexos una estrategia vital.
7 591524 014732

© 2013 by Editorial Santillana, S.A.
Editado por Editorial Santillana, S.A.
Nº de ejemplares: 13 150
Reimpresión: 2014
Av. Rómulo Gallegos, Edif. Zulia, piso 1. Sector Montecristo, Boleíta. Caracas
(1070), Venezuela.Telfs.: 280 9400 / 280 9454
www.santillana.com.ve
Impreso en Ecuador por: Imprenta Mariscal CIA. LTDA
ISBN: 978-980-15-0652-2
Depósito legal: lf63320129003925
Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización previa de los titulares del Copyright,
bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por
cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático,
y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo público.
El libro Química 3eraño de Educación Media es una obra colectiva concebida,
diseñada y elaborada por el Departamento Editorial de Editorial Santillana S.A.,
bajo la dirección pedagógica y editorial del profesor José Manuel Rodríguez R.
En la realización de esta obra intervino el siguiente equipo de especialistas:
Edición general adjunta
Inés Silva de Legórburu
Edición general
Lisbeth C. Villaparedes de Maza
Edición ejecutiva
José Luis Rada A.
Textos
• .M zerímaR .C zirtaeB
Licenciada en Química,
Universidad Central de Venezuela
• avoC elyccirB
Licenciada en Química, Universidad
Simón Bolívar; Magister en Química,
Universidad Simón Bolívar
• adaR siuL ésoJ
Licenciado en Biología,
Universidad Simón Bolívar
• otoS oñecirB leunaM ésoJ
Profesor en Química, Universidad
Pedagógica Experimental Libertador;
Magister en Enseñanza de la Química,
Universidad Pedagógica Experimental
Libertador y Doctor en Educación,
Universidad de Carabobo
Corrección de estilo
Mariví Coello
Juan Luis Valdéz
Coordinación de arte
Mireya Silveira M.
Diseño de unidad gráfi ca
Mireya Silveira M.
Coordinación de unidad gráfi ca
María Elena Becerra M.
Diseño de portada
Mireya Silveira M.
Ilustración de portada
Walther Sorg
Diseño y diagramación general
María Alejandra González
Documentación gráfi ca
Amayra Velón
Ilustraciones
Fondo Documental Santillana
Infografías
Oliver González
Fotografías
Fondo Documental Santillana
Retoque y montaje digital
Evelyn Torres
Química 3er año
3añoQuímica
SOLO PÁGINAS SELECCIONADAS PARA MUESTRA
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Estructura del libro
Inicio de unidad
Desarrollo de los temas
Actívate. Preguntas relacionadas con situaciones de la
vida cotidiana, orientadas a evocar conocimientos previos
vinculados con los temas o generar inquietudes acerca de
los nuevos contenidos a desarrollar.
Contenido. Tema con información
actualizada, presentada a través de textos
e imágenes, organizadores y recursos
gráficos novedosos.
Información complementaria. Datos adicionales
que enriquecen los temas, relacionados con diversas
áreas del conocimiento, así como con aspectos
de la vida cotidiana, como el trabajo, la tecnología,
el ambiente y la diversidad cultural del país.
Logros esperados. Enunciados
breves que describen los principales
conocimientos, valores, habilidades
y destrezas que se pretende consolidar
con el desarrollo de los contenidos
de la unidad.
Idea para la acción. Reseña de la actividad grupal para contribuir
al desarrollo de proyectos, trabajos especiales o líneas de investigación,
para ser llevada a cabo durante o al final de la unidad.
Infografía. Recurso gráfico que permite
despertar el interés con relación a los temas
de la unidad. Contiene datos y preguntas
que favorecen la interacción, participación
y reflexión para introducir los nuevos contenidos.
Para reflexionar
y debatir. Preguntas
dirigidas a generar
conclusiones a partir del
análisis de la información
y los datos planteados
en la infografía.
Infografías. Temas con una propuesta gráfica diferente y
novedosa, que presentan la información a través de imágenes
y textos asociados, para aprender de manera dinámica.
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Idea para la acción. Desarrollo de la actividad
anunciada al inicio de cada unidad, con sugerencias
para su planificación, puesta en práctica y evaluación,
como estrategia para la generación de conocimientos.
Cierre de unidad
Actividades de refuerzo. Ejercicios, preguntas y casos
de análisis, vinculados con los temas abordados en la
unidad. Persiguen el desarrollo de las distintas habilidades
del pensamiento.
Actividades. Preguntas,
ejercicios, casos y situaciones
de análisis para validar, afianzar
y reforzar los contenidos
vistos. Estimulan la capacidad
de razonamiento en el plano
individual, y la interacción por
medio del trabajo en equipo.
Cierre de unidad
Preguntas,
ejercicios, casos y situaciones
de análisis para validar, afianzar
y reforzar los contenidos
vistos. Estimulan la capacidad
de razonamiento en el plano
individual, y la interacción por
medio del trabajo en equipo.
Profesiones y oficios científicos. Breve
información sobre algunas profesiones y oficios
vinculados con los temas vistos, para conocer
las posibilidades que existen en el campo
profesional, y orientar inquietudes y vocaciones.
Conexos con… Tecnología e inventiva.
Información gráfica sobre inventos,
descubrimientos, libros, revistas, instituciones,
sitios web, programas o personajes, relacionados
con logros tecnológicos, de vanguardia o
históricos, afines con los temas de la unidad.
En síntesis. Mapa conceptual que permite
resumir los aspectos principales de cada tema
y relacionarlos entre sí de manera concreta.
Química cotidiana. Información,
ideas o ejercicios sobre cómo se
verifica el contenido del tema en
el día a día. Mediante la exposición
de ejemplos o la proposición de
experiencias sencillas para realizar
en casa o en clase, se potencian
habilidades procedimentales e
inquietudes científicas.
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U1 Los materiales ........................... 6
Tema 1 Desarrollo histórico de la química ............................. 8
Tema 2 Los materiales I: propiedades no características ...... 14
Tema 3 Los materiales II: propiedades características .......... 22
Tema 4 Las mezclas ................................................................ 30
Tema 5 Concentración de las soluciones I ............................. 38
Tema 6 Concentración de las soluciones II ............................ 44
Tema 7 Clasificación de sustancias:
elementos y compuestos ........................................... 50
Tema 8 Los elementos ............................................................ 56
Tema 9 Los compuestos inorgánicos ...................................... 64
Tema 10 Los compuestos orgánicos ......................................... 72
Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 80
Enlace con tecnología e inventiva .............................82
Profesiones y oficios científicos ................................ 82
Idea para la acción:
Producción de un concurso sobre el valor
de los elementos químicos ....................................... 83
U2 El lenguaje de la química
y las reacciones químicas ........... 84
Tema 1 La simbología química ............................................... 86
Tema 2 Nomenclatura química I ............................................. 94
Tema 3 Nomenclatura química II ............................................ 100
Tema 4 Las reacciones químicas y su representación ........... 106
Tema 5 Leyes de la combinación química ............................. 114
Tema 6 El mol y el balanceo de ecuaciones ........................... 120
Tema 7 Estequiometría ........................................................... 128
Tema 8 Velocidad de las reacciones químicas ....................... 134
Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 140
Enlace con tecnología e inventiva ............................. 142
Profesiones y oficios científicos ................................ 142
Idea para la acción:
Creación de cristales ................................................ 143
Índice
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U3 La estructura de la materia ...... 144
Tema 1 Naturaleza discontinua y eléctrica de la materia...... 146
Tema 2 La teoría atómica ....................................................... 154
Tema 3 El enlace químico ....................................................... 162
Tema 4 La radiactividad .......................................................... 168
Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 174
El enlace con tecnología e inventiva ......................... 176
Profesiones y ofi cios científi cos ................................ 176
Idea para la acción: Kit para la representación
tridimensional de moléculas .................................... 177
U4 La industria química ................... 178
Tema 1 La industria química y el ambiente ............................ 180
Tema 2 Productos de la industria química ............................. 186
Tema 3 La industria petrolera
y petroquímica en Venezuela ..................................... 192
Cierre Actividades de refuerzo ............................................. 200
Enlace con tecnología e inventiva ............................. 202
Profesiones y ofi cios científi cos ................................ 202
Idea para la acción: Creación de una campaña
de promoción para el uso del gas natural ................. 203
Solucionario ........................................................................... 204
Tabla periódica de los elementos ..................................... 207
Fuentes consultadas ............................................................. 208
A propósito del lenguaje de género
Según la Real Academia de la Lengua Española y su correspon-
diente Academia Venezolana de la Lengua, la doble mención de
sustantivos en femenino y masculino (por ejemplo: los ciudadanos
y las ciudadanas) es un circunloquio innecesario en aquellos casos
en los que el empleo del género no marcado sea sufi cientemente
explícito para abarcar a los individuos de uno y otro sexo.
Sin embargo, desde hace varios años, en Editorial Santillana he-
mos realizado un sostenido esfuerzo para incorporar la perspectiva
de género y el lenguaje inclusivo, no sexista en nuestros bienes
educativos, pues valoramos la importancia de este enfoque en la
lucha por la conquista defi nitiva de la equidad de género.
En tal sentido, en nuestros textos procuramos aplicar el lenguaje
de género, al tiempo que mantenemos una permanente preocu-
pación por el buen uso, la precisión y la elegancia del idioma,
fi nes en los que estamos seguros de coincidir plenamente con las
autoridades académicas.
A propósito de las Tecnologías de la
Información y la Comunicación
Editorial Santillana incluye en sus materiales referencias y enlaces
a sitios web con la intención de propiciar el desarrollo de las com-
petencias digitales de docentes y estudiantes, así como para comple-
mentar la experiencia de aprendizaje propuesta. Garantizamos que
el contenido de las fuentes en línea sugeridas ha sido debidamente
validado durante el proceso de elaboración de nuestros textos.
Sin embargo, dado el carácter extremadamente fl uido, mutable y
dinámico del ámbito de la Internet, es posible que después de la
llegada del material a manos de estudiantes y docentes, ocurran en
esos sitios web cambios como actualizaciones, adiciones, supre-
siones o incorporación de publicidad, que alteren el sentido original
de la referencia. Esos cambios son responsabilidad exclusiva de las
instituciones o particulares que tienen a su cargo los referidos sitios,
y quedan completamente fuera del control de la editorial.
Por ello, recomendamos que nuestros libros, guías y Libromedias
sean previa y debidamente revisados por docentes, padres, madres y
representantes, en una labor de acompañamiento en la validación de
contenidos de calidad y aptos para el nivel de los y las estudiantes.
5
LOGROS ESPERADOS
Esta es la manera como
se organizan las moléculas
de los componentes de
los hilos de la telaraña:
una combinación de proteínas
constituidas por enlaces
moleculares débiles junto con
proteínas con componentes
cristalizados duros.
¿Cómo se relacionan
los enlaces moleculares con
la resistencia o flexibilidad
de la telaraña?
Uno de los componentes del hilo
de la tela está formado por átomos
que se unen con tanta fuerza que
forman cristales microscópicos muy
duros. Entre cristales, los átomos
establecen enlaces débiles que dan
como resultado un material elástico
con alta capacidad para deformarse
sin romperse. ¿Por qué es mejor que
la telaraña conste de un material
resistente y flexible a la vez, en
vez de que sea solo resistente
o solo flexible?
c
En el marco, la estructura central
y los radios de la tela, la araña
utiliza un hilo rígido, producido
con componentes que contiene
gran número de cristales.
La espiral de captura está
constituida por hilos menos
resistentes pero muy elásticos,
los cuales son elaborados de
componentes poco cristalizados.
Un campeón en resistencia.
Hechas de hilos pegajosos con
alrededor de 0,003 mm de diámetro,
algunas telarañas son capaces de
detener incluso pájaros pequeños.
Si estos hilos tuvieran el grosor
de un lápiz, podrían detener
un Boeing 747 en pleno vuelo. ¿Cómo se
comparan los hilos de la telaraña con
las cuerdas para el descenso en rappel
en actividades de montañismo
o de rescate?
b c
La telaraña está elaborada con dos
tipos especiales de hilos:
dd
¿Qué pasaría si la espiral de
captura estuviera igualmente
confeccionada con los
componentes altamente
cristalizados de los radios de
la telaraña?
¿Qué pasaría si la espiral de
captura estuviera igualmente
confeccionada con los
componentes altamente
cristalizados de los radios
de la telaraña?
En su abdomen, la araña tiene varias glándulas que producen los componentes
básicos de los hilos de la tela, hechos de proteínas. Cada glándula produce
componentes en diferentes proporciones, lo que genera hilos con propiedades
diferentes. ¿Hilos distintos implica compuestos proteicos distintos?
a
LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA
La telaraña, ¿qué la hace tan resistente
siendo tan delgada?
U3
IDEA PARA LA ACCIÓN
C
E
• Reconocer los símbolos
de los elementos, los
compuestos y las ecuacio-
nes químicas como una
forma de comunicación
en el campo científico
de la química.
• Comprender los cambios
asociados con las reaccio-
nes entre elementos
y compuestos químicos,
y la energía asociada en
el proceso.
• Aplicar leyes de la combi-
nación química a proble-
mas relacionados con
las reacciones químicas.Son más ligeros que el algodón, más elásticos que el caucho,
y proporcionalmente más fuertes que el acero; las propiedades
de los hilos de la tela de araña refl ejan los enlaces químicos
entre los átomos y moléculas de las que están constituidos.
LOGROS ESPERADOS
Representación tridimen-
sional de moléculas
En esta unidad crearán un
kit para la representación
de modelos tridimensio-
nales de moléculas de
compuestos químicos.
144 LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA
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Esta es la manera como
se organizan las moléculas
de los componentes de
los hilos de la telaraña:
una combinación de proteínas
constituidas por enlaces
moleculares débiles junto con
proteínas con componentes
cristalizados duros.
¿Cómo se relacionan
los enlaces moleculares con
la resistencia o flexibilidad
de la telaraña?
Uno de los componentes del hilo
de la tela está formado por átomos
que se unen con tanta fuerza que
forman cristales microscópicos muy
duros. Entre cristales, los átomos
establecen enlaces débiles que dan
como resultado un material elástico
con alta capacidad para deformarse
sin romperse. ¿Por qué es mejor que
la telaraña conste de un material
resistente y flexible a la vez, en
vez de que sea solo resistente
o solo flexible?
c
En el marco, la estructura central
y los radios de la tela, la araña
utiliza un hilo rígido, producido
con componentes que contiene
gran número de cristales.
La espiral de captura está
constituida por hilos menos
resistentes pero muy elásticos,
los cuales son elaborados de
componentes poco cristalizados.
Un campeón en resistencia.
Hechas de hilos pegajosos con
alrededor de 0,003 mm de diámetro,
algunas telarañas son capaces de
detener incluso pájaros pequeños.
Si estos hilos tuvieran el grosor
de un lápiz, podrían detener
un Boeing 747 en pleno vuelo. ¿Cómo se
comparan los hilos de la telaraña con
las cuerdas para el descenso en rappel
en actividades de montañismo
o de rescate?
b c
La telaraña está elaborada con dos
tipos especiales de hilos:
dd
¿Qué pasaría si la espiral de
captura estuviera igualmente
confeccionada con los
componentes altamente
cristalizados de los radios de
la telaraña?
¿Qué pasaría si la espiral de
captura estuviera igualmente
confeccionada con los
componentes altamente
cristalizados de los radios
de la telaraña?
En su abdomen, la araña tiene varias glándulas que producen los componentes
básicos de los hilos de la tela, hechos de proteínas. Cada glándula produce
componentes en diferentes proporciones, lo que genera hilos con propiedades
diferentes. ¿Hilos distintos implica compuestos proteicos distintos?
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Para refl exionar y debatir
LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA 145
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¿Podría decirse que las propiedades cualitativas y cuantitativas de los materiales
están relacionada con las fuerzas de los enlaces atómicos y moleculares de los
compuestos de que están hechos? ¿Qué benefi cio tendría la combinación
de materiales resistentes y materiales fl exibles en la estructura de altos edifi cios
en zonas sísmicas?
Naturaleza discontinua y eléctrica de la materia
tema 1
aCtÍVate
A veces, al tocar una manija, sentimos un “corrientazo” . También al frotar un
peine con un paño y acercarlo al cabello, este se levanta. ¿Cómo se explican
estos fenómenos? ¿Qué tienen que ver con los rayos de las tormentas?
La discontinuidad de la materia
A simple vista la materia parece una masa compacta sin espacios vacíos;
pero gracias a la ciencia, se fue descubriendo que la materia no era
continua, sino que más bien presentaba discontinuidades. Si se observa
un trozo de material en el microscopio, fácilmente se aprecia que
está formado por pequeños aglomerados de materia entre los cuales
existen espacios o agujeros en su microestructura. Estos espacios vacíos
implican que la materia no es totalmente compacta sino discontinua.
Para entender mejor esta discontinuidad, es necesario saber de qué está
hecha la materia y de qué manera se fue comprendiendo su estructura.
En 1805 el inglés John Dalton (1766-1844), publicó su obra
Nuevo sistema de la filosofía química, en la cual rescataba las
ideas propuestas por Demócrito y Leucipo dos mil años atrás.
La razón que impulsó a Dalton a proponer una nueva teoría
atómica fue la búsqueda de una explicación a las leyes
químicas que se habían deducido empíricamente hasta el
momento, como la ley de la conservación y la ley de las
proporciones definidas.
Demócrito
Es considerado como uno
de los padres del atomismo.
John Dalton
Retomando las ideas de los atomistas
griegos, propuso la primera teoría atómica
dentro del marco de la química moderna.
Los griegos se preocuparon por indagar sobre la
constitución íntima de la materia. Cerca del año
450 a.C., Leucipo y su discípulo, Demócrito,
propusieron que la materia estaba constituida
por pequeñas partículas a las que llamaron átomos,
palabra que significa indivisible.
La materia está constituida por átomos y moléculas. El átomo se entiende
como la unidad estructural y reactiva de la materia que puede sufrir cambios químicos.
Los átomos se combinan para formar moléculas, que son las unidades estructurales
básicas de las sustancias compuestas.
Átomo de hidrógeno
Molécula de H2O
Agua
Los átomos
Son partículas muy pequeñas que tienen un diámetro
de aproximadamente 1 Å (angstrom) � 1 � 10�8 cm.
Asimismo, su masa es tan pequeña que
no se puede detectar en la balanza más moderna:
está entre 10�24 g y 10�22 g.
La estructura de la materia
146 la estructura de la materia
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Teoría atómica de Dalton
Dalton enunció una serie de postulados sobre el átomo, basado en
experimentaciones relacionadas con las leyes de la combinación química.
Algunos de sus postulados principales fueron los siguientes:
• Los elementos están constituidos por átomos; consistentes en partículas
materiales, rígidas, esféricas, indivisibles, separadas e indestructibles.
• Los átomos de un elemento son iguales entre ellos, pero diferentes
de los de otros elementos en forma, tamaño, masa y propiedades.
• Los átomos no se crean ni se destruyen, ni se transforman en otros
tipos de átomos durante las reacciones químicas.
• Los átomos se pueden combinar según leyes específicas para
formar moléculas.
La mayoría de estos postulados se han aceptado hasta hoy; otros, como
la indivisibilidad del átomo, se han refutado. Sin embargo, esta teoría
permite explicar la ley de la conservación de la masa y la ley de las
proporciones definidas. El concepto daltoniano no concebía la idea
de la divisibilidad del átomo, por lo que no consideraba que el átomo
podía tener una estructura interna, sino que el arreglo de los átomos
definía la estructura de la materia de manera compacta con espacios
pequeños entre ellos.
Modelo de partículas y la difusión
Los elementos están formados por átomos y las sustancias compuestas
por moléculas. Los átomos y moléculas se pueden representar como
partículas en constante movimiento, a través del modelo de partículas,
denominado también modelo corpuscular.
La discontinuidad de la materia se puede comprender a partir de la
explicación de algunos fenómenos usando el modelo de partículas.
Algunos de estos fenómenos están relacionados con la difusión
de sustancias en diversos medios. Por ejemplo:
Difusión de
sustancias tóxicas
y contaminantes
La propiedad discontinua
de la materia permi-
te que las sustancias
gaseosas se puedan
difundir en el aire. Esta
propiedad se evidencia
en algunas sustancias
tóxicas y contaminan-
tes que se dispersan
a grandes distancias y
causan daños a los seres
vivos, y en especial a las
personas. Si la materia
fuera toda compacta y
continua, esto no sería
posible.
Salud y ambiente
En 1805 el inglés John Dalton (1766-1844),publicó su obra
Nuevo sistema de la filosofía química, en la cual rescataba las
ideas propuestas por Demócrito y Leucipo dos mil años atrás.
La razón que impulsó a Dalton a proponer una nueva teoría
atómica fue la búsqueda de una explicación a las leyes
químicas que se habían deducido empíricamente hasta el
momento, como la ley de la conservación y la ley de las
proporciones definidas.
Demócrito
Es considerado como uno
de los padres del atomismo.
John Dalton
Retomando las ideas de los atomistas
griegos, propuso la primera teoría atómica
dentro del marco de la química moderna.
Los griegos se preocuparon por indagar sobre la
constitución íntima de la materia. Cerca del año
450 a.C., Leucipo y su discípulo, Demócrito,
propusieron que la materia estaba constituida
por pequeñas partículas a las que llamaron átomos,
palabra que significa indivisible.
La materia está constituida por átomos y moléculas. El átomo se entiende
como la unidad estructural y reactiva de la materia que puede sufrir cambios químicos.
Los átomos se combinan para formar moléculas, que son las unidades estructurales
básicas de las sustancias compuestas.
Átomo de hidrógeno
Molécula de H2O
Agua
Los átomos
Son partículas muy pequeñas que tienen un diámetro
de aproximadamente 1 Å (angstrom) � 1 � 10�8 cm.
Asimismo, su masa es tan pequeña que
no se puede detectar en la balanza más moderna:
está entre 10�24 g y 10�22 g.
La difusión de un gas en el aire La difusión de sólidos en un líquido
Un gas está formado por moléculas que se mueven
continuamente. La molécula del hidrógeno (H2) es
diatómica, formada por dos átomos de hidrógeno;
la molécula de CO2 es una molécula triatómica,
formada por dos tipos de átomos; la molécula
del gas Ar es monoatómica.
La difusión de un gas se puede explicar por el hecho
de que las partículas constituyentes de una sustancia
volátil se difunden en el aire alejándose unas de otras,
y dejando espacios vacíos entre ellas, debido a la baja
tendencia de las partículas de permanecer juntas.
Al expandirse el gas los espacios entre sus partículas
son mayores, por lo que se da la discontinuidad
de la materia.
Al preparar una solución acuosa con compuestos sólidos
coloreados como el sulfato de cobre; se puede observar
que después de un tiempo, y sin requerir de agitación,
el sulfato de cobre colorea de azul todo el líquido.
Este ejemplo muestra que el líquido, en este caso
el agua, es discontinuo porque permite la difusión
de algunos sólidos dentro de su seno, por lo que se
considera que existen espacios vacíos en él.
La difusión de partículas en un líquido también ocurre
con la sal de mesa y el azúcar (sólidos no coloreados),
solo que no es tan visible. No obstante, el hecho de que
la sal y el azúcar se disuelvan en el agua y aumenten
el volumen del líquido, revela que las partículas se han
dispersado, es decir han ocupado espacios vacíos.
Naturaleza discoNtiNua y eléctrica de la materia 147
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La ósmosis
La ósmosis es el fenómeno de difusión de una sustancia a través de una
membrana semipermeable; este fenómeno se puede explicar mediante el
modelo de partículas.
La ósmosis se explica a través de estas dos situaciones:
• Si en un envase se coloca una membrana semipermeable que separe
agua pura de una solución azucarada, se observará que con el tiempo
el agua pasa a la solución y esta aumenta de volumen. En el caso de
que la solución sea coloreada, se observará una disminución del color
debido a la dilución causada por el agua.
• Si se separan dos soluciones de diferente concentración, el agua
de la solución menos concentrada pasa hacia la más concentrada
hasta que se igualan las dos concentraciones.
Ambas situaciones muestran que el agua se mueve desde la solución
donde hay más agua por unidad de volumen (la menos concentrada)
hasta donde hay menos agua por unidad de volumen (la más
concentrada). En otras palabras, la ósmosis se entiende como el
movimiento de un solvente, a través de una membrana semipermeable,
hacia una solución de mayor concentración de soluto.
La ósmosis muestra que las moléculas del solvente están en continuo
movimiento, esto es posible porque las membranas semipermeables
tienen espacios vacíos que permiten el paso de las moléculas pequeñas
de solvente, pero impiden el paso de partículas de mayor tamaño.
El movimiento continuo de partículas macroscópicas fue observado
por primera vez por Robert Brown, en 1827, y se le denominó
movimiento browniano. Este movimiento permite inferir que partículas
invisibles, como átomos y moléculas, se encuentran también en continuo
movimiento debido a su energía cinética (energía de movimiento), lo
cual permite la difusión de sólidos, líquidos y gases en el seno de otra
sustancia sin necesidad de que se agite la mezcla.
Una membrana semipermeable, como
el celofán o las membranas biológi-
cas, permite el paso de algunas
partículas, pero impide el paso
de otras de mayor tamaño.
Las plantas absorben agua por ósmosis;
en este caso, el agua tiene que atravesar
las membranas celulares de las raíces.
Las células de cebolla
en agua pura, se hinchan
debido a la absorción de agua
por ósmosis. La hinchazón
de la célula se llama turgencia.
En agua salada las células
se arrugan por la pérdida
de agua. La flacidez
o arrugamiento de la célula
se llama plasmólisis.
Los rayos, producidos
durante las tormentas,
llenaron de asombro
e imaginación a
los pueblos antiguos.

En el modelo atómico de Thomson los
electrones se encuentran incrustados en
una masa de carga positiva que neutraliza
la materia eléctricamente.
Los filósofos
griegos atribuían
la presencia
de rayos a la ira
de Zeus,
el llamado
padre de todos
los dioses
del Olimpo.
El filósofo y matemático Tales de Mileto
(siglo V a.C.) fue el primero en describir
la electricidad, al observar que un pedazo
de ámbar (en griego elektron) frotado con
una piel de animal,como la lana, atraía cuerpos
livianos y pequeños, como plumas o pelos.
Algunos filósofos explicaban, en términos
ambiguos y subjetivos, que la atracción
de ciertos cuerpos se debía a la “simpatía”
entre ellos, mientras la falta de atracción
se debía a su “antipatía”, sin embargo. Tales
atribuyó el fenómeno de electrización
a los átomos que constituyen la materia.
Para explicar la naturaleza eléctrica de la
materia, es necesario disponer de un modelo
atómico adecuado; incluso más complejo que
el sugerido por Dalton, ya que este no puede
explicar el comportamiento eléctrico de la
materia. Thomson y Rutherford plantearon
nuevos modelos atómicos con los descubrimien-
tos del electrón y el protón.
La electrización
de los cuerpos
Los fenómenos eléctricos llamaron
la curiosidad desde los principios
de la humanidad.
RutherfordThomson
Naturaleza eléctrica
de la materia
Muchos fenómenos, como los rayos
y la atracción de los cuerpos, demuestran
que la materia tiene una naturaleza
eléctrica. Sin embargo, la correcta
interpretación y el entendimiento
general de estos fenómenos
tomó muchos años.
Modelo atómico de Thomson
En 1897, Joseph Thomson (1856-1940) descubrió que el átomo
tenía unas partículas con carga negativa a las que llamó electrones;
describió que el átomo era divisible, contrario a lo que Dalton
había propuesto. Formuló así su teoría atómica, la primera
en explicar la naturaleza eléctrica de la materia: el átomo está
compuesto de una esfera cargada positivamente en cuya masa se
mueven y están incrustados los electrones, en forma parecida a un
“pudín con pasas”, por lo que así fue llamado su modelo atómico.
El modelo atómico de Thomson, aunque explicaba la naturaleza
eléctrica de la materia, no logró explicar algunos resultados
experimentales, particularmente los del científi co Ernest
Rutherford. Por esa misma época, Eugen Goldstein (1850-1930)
descubrió otras partículas subatómicas; las que tenían carga
positiva se les denominó protones.
Naturaleza discoNtiNua y eléctrica de la materia 149Naturaleza discoNtiNua y eléctrica de la materia 149
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Modelo atómico de Rutherford
En 1909, Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió que los átomos no
eran compactos, como habían propuesto Dalton y Thomson, sino que
tenían espacios vacíos. Se basó en experimentaciones en las que observó
que, aun cuando algunas partículas cargadas positivamente rebotaban
contra una delgada lámina de oro, un mayor número de ellas lograban
atravesarla. Esto lo llevó a concluir que en la materia había espacios y,
por ende, en sus átomos constituyentes.
Rutherford propuso el átomo nuclear, que explicaba la naturaleza
eléctrica de la materia de manera más convincente: los átomos tienen un
centro de protones con carga positiva llamado núcleo atómico, donde se
encuentra la mayor parte de la masa del átomo; los electrones, con carga
negativa, se mueven en órbitas alrededor del núcleo a modo de “corona
electrónica” dejando espacios relativamente grandes. La carga negativa
de los electrones contrarresta la carga positiva del núcleo, por lo que el
átomo es eléctricamente neutro.
El modelo del átomo nuclear de Rutherford es útil para explicar algunos
fenómenos sencillos de electrización de la materia; sin embargo, presenta
inconsistencias, por ejemplo, contradice las leyes del electromagnetismo
de Maxwell según las cuales, el electrón como partícula acelerada, emite
y pierde energía, siguiendo una trayectoria en espiral hacia el núcleo.
Hoy se sabe que esto no ocurre, ya que los átomos son estables.
Modelo atómico de Bohr
Con el fi n de dar solución a las inconsistencias que presentaba el modelo
atómico de Rutherford, el físico danés Niels Bohr propuso, en 1913,
un nuevo modelo atómico basado en el descubrimiento del neutrón
y los conocimientos de la teoría cuántica, el efecto fotoeléctrico
y los espectros del hidrógeno.
Modelo atómico de Rutherford,
en el cual los electrones giran
alrededor del núcleo del átomo.
Núcleo cargado
positivamente
n = 2
Electrón ()
Postulados de la teoría atómica de Bohr
1. El átomo está formado por un núcleo y una envoltura donde giran los electrones.
Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas
circulares estables. Cada una de estas órbitas corresponde
a un nivel de energía permitido. Los niveles de energía (n)
se representan por los valores de 1, 2, 3,…, siendo el valor
1 el más cercano al núcleo.
Según la física clásica, si los electrones se movieran en órbitas
circulares, se acelerarían irradiando energía, moviéndose en
espiral hasta colapsar con el núcleo. Como esto no sucede,
Bohr estableció otros dos postulados:
2. Mientras el electrón esté girando en su nivel, no emitirá ni
absorberá energía. Cuando un electrón está en un nivel
de energía bajo se dice que se encuentra en estado
fundamental o basal.
3. Cuando un electrón transita de una órbita a otra, se produce
absorción o emisión de una cantidad defi nida de energía,
en forma de ondas electromagnéticas, cuya magnitud es igual a
la diferencia de energía entre las dos órbitas.
Electrón cargado
negativamente
Órbitas Núcleo () n = 1
150 la estructura de la materia
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Por frotamiento Por inducción Por contacto
Cuando dos cuerpos se frotan, sus
átomos interactúan; uno de los cuerpos
cede electrones y el otro los capta,
quedando con cargas opuestas.
Por ejemplo, al frotar una regla de
plástico con una tela de lana, el plástico
adquiere carga negativa porque gana
electrones de la lana.
Cuando un cuerpo eléctricamente
neutro se aproxima a otro electrizado es
atraído, debido a que se forman cargas
eléctricas parciales en los extremos
del cuerpo neutro. El cuerpo electrizado
induce la separación de cargas (dipolo
eléctrico), al atraer o repeler a los
electrones del cuerpo neutro.
La electrización por contacto se produce
cuando un cuerpo neutro eléctricamente
se carga al ponerse en contacto con un
cuerpo electrizado.
Este fenómeno se puede puede verificar
con más claridad en un electroscopio.
Tipos de electrización
La electrización es la formación de cargas en un material o un cuerpo;
el origen de las cargas es el átomo, el cual está formado por protones,
electrones y neutrones. El átomo, por naturaleza, es eléctricamente
neutro, es decir, por cada carga negativa existe una carga positiva.
• Cuando los átomos ceden electrones, quedan con exceso
de protones, o exceso de cargas positivas, por lo tanto, estarán
cargados positivamente.
• Cuando los átomos captan electrones, quedan con exceso
de cargas negativas, es decir, cargados negativamente.
Dos cuerpos con cargas distintas se atraen (atracción electrostática)
y con cargas iguales se repelen (repulsión electrostática), según
la ley fundamental de la interacción eléctrica, que dice: “dos cuerpos
con el mismo tipo de carga se repelen, con distinto tipo se atraen”.
Conductividad eléctrica
Una sustancia es conductora cuando permite el paso de la corriente
eléctrica a través de ella. En general, los metales son buenos
conductores, aunque la plata y el cobre son los mejores.
La conductividad eléctrica de los metales se debe a que tienen
electrones libres, muy alejados de su núcleo atómico y débilmente
unidos, por lo que tienen la libertad de moverse libremente a través
de todo el metal. Los electrones libres en un material transportan
carga eléctrica y lo hacen buen conductor eléctrico.
Los materiales que tienen sus electrones bien unidos al núcleo atómico
y solo pocos libres para moverse bajo la influencia de un cuerpo
cargado, se llaman aislantes eléctricos, porque no pueden conducir la
electricidad, como el vidrio, el papel, la madera o el caucho.
En un electroscopio, al tocar la esfe-
ra metálica con una varilla de vidrioelectrizada, las hojas de la laminilla
se separan; debido a que adquieren
igual carga positiva y se repelen.
Soluciones
electrolíticas
Algunas soluciones
acuosas también son
buenas conductoras
de la electricidad. Se
las llama soluciones
electrolíticas debido a la
presencia de sustancias
iónicas en su medio, los
electrolitos, tales como
ácidos, bases y sales.
Zoom
Tipos de electrización
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Actividades Para realizar en el cuaderno
1 Compara los diferentes modelos atómicos estudiados e identifica semejanzas y diferencias
entre ellos. Luego elabora una tabla comparativa.
2 Responde los siguientes planteamientos:
a) ¿Por qué la teoría atómica de Dalton no explica la naturaleza eléctrica de la materia?
b) ¿Tenía razón Dalton cuando decía que todos los átomos de un mismo elemento
son iguales entre sí? ¿Por qué?
3 Explica: ¿por qué si los átomos están formados por partículas cargadas, se dice
entonces que son neutros?
4 Analiza cada caso y explica si es una evidencia de la naturaleza eléctrica
o de la discontinuidad de la materia.
a) La electrolisis descompone el agua en hidrógeno y oxígeno.
b) Un perfume se derrama e impregna la habitación con su olor.
c) Un rayo cae y parte un árbol alto.
d) Una solución de NaCl permite el paso de electricidad.
5 Lee y responde.
Una persona se peina con un peine de plástico y luego de pasar el peine un par de veces, notó
que el cabello se le levantaba al acercarle el peine.
a) ¿Qué tipo de electricidad adquirió el peine cuando fue frotado con el cabello?
b) ¿Cómo adquirió el peine esa electricidad?
c) ¿Cómo explicas que los cabellos se ericen al acercarles el peine?
d) ¿Por qué el peine atrae el cabello?
e) Elabora una ilustración para mostrar lo que ocurre internamente en el peine
y en el cabello al electrizarse.
6 Dibuja los átomos de hidrógeno (Z 5 1, A 5 1), litio (Z 5 3, A 5 7) y boro (Z 5 5, A 5 11)
considerando el modelo atómico de Bohr.
7 Observa las imágenes y explica lo que ha ocurrido en base al fenómeno de la ósmosis.
Responde: ¿por qué la experiencia demuestra que la materia es discontinua?
a) b)
Presión
Agua
salada
Agua
pura
Membrana
semipermeable
Membrana
semipermeable
Agua
salada
Agua
pura
8 Consulta y explica por qué el agua es buen conductor eléctrico a pesar de no ser una sustancia
metálica. Responde: ¿qué ocurre con la conductividad del agua si se le añade cloruro de sodio?
152 la estructura de la materia
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Copia y completa el siguiente mapa conceptual:
En síntesis
Química cotidiana
Electrones
Iones
Inducción
MoléculasLa ósmosis
El movimiento
Browniano
Naturaleza
eléctrica
Subpartículas
eléctricas
Naturaleza discontinua
por ejemplo
debido a
tales como
tales como
que explican la
por
formados por
que explica
tiene
debido a
tiene
Los materiales
El color de las piedras preciosas
Muchas de las piedras preciosas o semipreciosas exhiben hermosos
colores, que se producen como resultado de iones de metales
de transición que se encuentran en forma de impurezas. Uno de estos
es el ión Cr3+, el cual le da un color rojo oscuro a los rubíes, y un color
verde característico a las esmeraldas.
Los colores son emisiones de radiación dentro del espectro visible,
es decir, son consecuencia de la emisión de energía en forma de luz.
El ión Cr3+ tiene electrones que pueden ser excitados por la absorción
de energía, y luego decaer a niveles de energía menores o al estado
fundamental, liberando o emitiendo un determinado tipo de radiación.
El hecho de que los colores de estas dos piedras sean diferentes, se explica
porque están constituidos por distintos cristales (Al2O3, para el rubí y
3 BeO∙Al2O3∙6 SiO2, en el caso de la esmeralda). Este entorno químico,
hace que la energía para producir el estado excitado del ión sea diferente
en cada piedra y, por ende, se liberen radiaciones también diferentes.
Análisis y aplicación
Responde: ¿cuál de los modelos atómicos estudiados da explicación
a la excitación y decaimiento de los electrones?
La energía para la excitación
de electrones en la esmeralda
es menor que en el rubí; por
ende esta piedra absorbe las
radiaciones de los colores rojos
y violetas y emite los verdes
y azules.
está formada por
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La teoría atómica
TEMA 2
AcTÍVATE
¿De qué se supone debería estar constituido el hielo, el aire o un trozo de
carne, si imaginas que puedes hacerte tan minúsculo como para observar las
partículas más pequeñas que forman la materia?
La estructura atómica
En el siglo V a.C., Demócrito propuso que la materia no se podía
dividir infi nitamente, y por lo tanto, debía existir una unidad mínima
de subdivisión a la que llamó átomo. Este concepto se mantuvo intacto
casi dos mil años, hasta que en el siglo XIX se realizaron diferentes
experimentos con el fi n de comprobar la existencia de
esta partícula “indivisible”. A partir de ese momento, muchos
experimentos contribuyeron a comprobar la existencia del átomo
y permitieron establecer diferentes modelos atómicos, hasta el que
existe actualmente.
El tubo de rayos catódicos
En 1875, sir William Crookes (1832- 1919) descubrió los rayos
catódicos usando un tubo de descarga, que consiste en un tubo
de vidrio provisto de dos electrodos herméticamente soldados a
los extremos de este y a través de los cuales se hace pasar una
corriente eléctrica.
Crookes observó que si se creaba vacío dentro del tubo, al pasar
la corriente aparecía un resplandor, originado en el electrodo
negativo o cátodo y que se dirigía hacia el electrodo positivo o
ánodo. Crookes concluyó que debía tratarse de haces cargados
negativamente, que luego fueron bautizados como rayos
catódicos.
Los experimentos de Thomson y el tubo
de rayos catódicos
En 1897, el científico británico J. J. Thomson realizó experiencias
en tubos de rayos catódicos. Observó que si variaba el gas que se
encontraba en el interior del tubo, las partículas que formaban el
rayo tenían el mismo comportamiento. De esto dedujo que en el
interior de todos los átomos hay una o más partículas cargadas
negativamente, a las que llamó “electrones”.
Basado en estos resultados, Thomson propuso el modelo atómico
llamado “budín de pasas”. Además, estudió el efecto de los
campos magnéticos y eléctricos sobre los rayos catódicos.
Al medir la desviación que ocasionaban estos dos campos
sobre la trayectoria del electrón, pudo cuantificar su relación
carga/masa. Posteriormente, en 1909, el físico Robert Millikan
empleó los datos de Thomson para idear un experimento propio
con el propósito de encontrar el valor por separado de la carga
y la masa del electrón.
Ánodo
Ánodo
Sombra
Pantalla Hélice
de zinc
Cátodo
Cátodo
Estas partículas
tienen masa, ya
que hacen girar la
hélice de zinc
Como el rayo era atraido por
la placa positiva (ánodo) se dedujo
que estaba formado por partículas
eléctricas con carga negativa
Cuando se producía una descarga
eléctrica entre las placas, aparecía
un rayo luminoso
El descubrimiento de las partículas subatómicas: el electrón
154 La estructura de La materia
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El modelo atómico actual
Los experimentos realizados desde principios del siglo XX
permitieron establecer diferentes teorías y modelos atómicos, que
se han desarrollado y robustecido con la investigación científica.
Comenzando con los experimentos de Thomson y Rutherford,
y posteriormente las contribuciones de otros científicos como
Niels Bohr,Wolfang Pauli, Erwin Schrödinger y Paul Dirac,
se llegó a la descripción del átomo que se maneja actualmente.
Este modelo se fundamenta en la mecánica cuántica y explica
el comportamiento de los fenómenos atómicos.
El descubrimiento del protón El descubrimiento del neutrón
El experimento de Goldstein
Eugen Goldstein (1850-1930), realizó algunas modificaciones
al diseño inicial del tubo de rayos catódicos. El nuevo dispositivo
tenía el cátodo perforado y el tubo, en lugar de vacío, contenía
diferentes gases. Observó que detrás del cátodo se producía otro tipo
de resplandor, proveniente del ánodo, por lo que dedujo que los nuevos
rayos poseían carga positiva. Posteriormente fueron bautizados como
protones y se determinó que su carga era de igual magnitud que la
de un electrón, es decir, 1,602 . 10�19 coulombios, mientras que su
masa era aproximadamente 1 837 veces mayor que la del electrón,
con un valor cercano a 1,673 . 10�24 g.
El experimento de Chadwick
Desde 1920, Rutherford había supuesto la existencia de una
tercera partícula subatómica, que debía ser neutra, pues muchos
elementos poseían una masa superior a lo esperado si sus
núcleos solo estuvieran conformados por protones. Sin embargo,
se tuvo que esperar hasta 1932 para comprobar
experimentalmente la existencia de estas partículas. El
descubrimiento se atribuye a James Chadwick, quien observó
que en un experimento con partículas radiactivas se liberaban
partículas con una masa similar a la de los protones. Estas
partículas no se desviaban por la presencia de campos eléctricos,
por lo que debían ser neutras, así que se las llamó neutrones.
Ánodo (+)
Cátodo
perforado(-)
Rayos catódicos
Placa de berilio Placa de parafina
Protones
Neutrones
Pared del tubo
Rayos canales
o anódicos Fuente de partículas alfa
Radiación de alta energía
que no se desvía ante
el campo eléctrico
Estructura del modelo atómico actual
El núcleo. Región
donde se concentran los
protones y los neutrones.
Concentra prácticamente
toda la masa del átomo.
Según el modelo atómico actual, el átomo está constituido por dos zonas:
La nube electrónica.
Espacio, externo al
núcleo atómico, donde se
encuentran los electrones
que se mueven en
regiones denominadas
orbitales.
Las partículas subatómicas del núcleo atómico
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P1
La teoría atómica 155
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El núcleo atómico
Las partículas del núcleo atómico: protones y neutrones, también
se denominan nucleones. Los nucleones tienen propiedades que definen
la identidad a los átomos de cada elemento:
• Propiedades del protón. Cada protón tiene una masa de
1,6725 10224 gramos y una carga eléctrica positiva de
1,602  10219 coulombios. Todos los átomos de un elemento específico
tienen la misma carga nuclear positiva, que es un múltiplo
de la carga del protón. Esta cantidad de protones es un número entero
que se llama número atómico y se simboliza como Z. Al protón
también se suelen representar con el símbolo 11 o p1.
• Propiedades de neutrón. Los neutrones son partículas eléctricamente
neutras, que tienen una masa de 1,674  10224 gramos, muy similar
a la masa del protón. El total de neutrones en el núcleo atómico de los
elementos se conoce con el mismo nombre y se designa con la letra N.
La suma de los protones y los neutrones del núcleo de un elemento
se denomina número de masa o número másico, y se designa con
la letra A. Su valor es un número entero porque es la suma del número
de partículas.
Los isótopos
Si bien los átomos de un elemento mantienen un número fijo de
protones, el número de neutrones en el núcleo puede variar. La mayoría
de los elementos químicos en la naturaleza están constituidos por átomos
con una cantidad de neutrones variable. Los elementos que tienen igual
número de protones pero diferente número de neutrones se llaman
isótopos. Para referirse a los isótopos, se escribe el símbolo o el nombre
completo del elemento, seguido del número másico. Por ejemplo,
hidrógeno23, carbono214 o uranio2235.
Número másico (A):
A 5 Z 1 N
EjErcicio
Planteamiento: el elemento oro (Au) tiene un número de masa de 197. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones
tiene un átomo de oro si se sabe que el número atómico para este elemento, según la tabla periódica, es de 79?
Datos: número másico del Au: A 5 197; número atómico del Au: Z 5 79
Comprensión: con el número atómico y el número másico del Au, se puede calcular la cantidad de neutrones.
Z indica además el número de protones, que es igual al de electrones.
Procedimiento: A 5 Z 1 N 197 5 79 1 N 197 2 79 5 N 118 5 N
Respuesta: el número de neutrones en el átomo de oro es de 118, y el número de electrones es igual al de protones,
es decir, 79.
Los isótopos del hidrógeno
El hidrógeno tiene dos
isótopos: el deuterio,
con una abundancia de
0,015%, y el tritio, que
es radiactivo y tiene una
abundancia de 10-15%.
Hidrógeno, 11 H
1 protón
1 electrón
Deuterio, 21 H
1 protón
1 electrón
1 neutrón
Tritio, 31 H
1 protón
1 electrón
2 neutrones
Número atómico (Z):
Cantidad de protones.
Número de neutrones (N):
Cantidad de neutrones.
156 La estructura de La materia
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A. Cuando los electrones se
encuentran en sus órbitas
(estado fundamental), no
emiten energía. Solo pueden
ganar o perder energía
cuando pasan de una órbita
a otra.
B. El electrón pasa a una órbita
superior (estado excitado)
cuando se le suministra
una cantidad específica de
energía, por lo que absorbe
un cuanto de energía.
C. Cuando el electrón vuelve
a su estado fundamental,
pierde energía y emite un
cuanto de energía.
Los electrones y la nube electrónica
Los electrones son partículas con una masa de 9,109  10227 gramos y
carga negativa de 21,602  10219 coulombios. En relación con su masa,
el electrón es alrededor de 1 837 veces más liviano que el protón. Los
electrones representan apenas 0,1% de la masa total del átomo y
se mueven a gran velocidad alrededor del núcleo formando
la nube electrónica. Esta región está definida por niveles y subniveles
de energía, los cuales se hacen más energéticos a medida que se
encuentran más alejados del núcleo.
La nube electrónica según Bohr
El modelo planetario de Bohr es ampliamente utilizado para estudiar
el átomo más simple, el del hidrógeno; sin embargo, falla al tratar de
explicar el comportamiento de átomos más grandes. Este modelo se
caracteriza porque los electrones giran alrededor del núcleo en un
número limitado de órbitas estables, asociadas a niveles con valores
específicos de energía; es decir, los electrones pueden situarse en uno
y otro nivel energético, pero no entre dos niveles.
Así, el modelo atómico de Bohr propone la distribución de electrones
por niveles y subniveles energéticos de la nube electrónica. Existe un
número máximo de electrones por niveles y subniveles de energía:
• Los niveles de energía son 7 y se denominan por las letras: K, L, M,
N, O, P y Q; también se pueden identificar por los números: 1; 2; 3;
4; 5; 6 y 7.
Los electrones de la capa K, cerca del núcleo, tienen menor energía,
por lo que este los atrae con más fuerza. En cambio los electrones
de la capa Q son los más alejados, por lo tanto tienen mayor energía
y son atraídos con menor fuerza por el núcleo.
• Cada nivel de energía está constituido por uno o más subniveles,
debido a que los electrones que se hallan en un mismo nivel se
diferencian ligeramente en la energía que tiene cada uno. Estos se
identifican por letras minúsculas: s, p, d y f, y cada uno tiene una
capacidad determinada de alojar electrones:
s 5 2 e2; p 5 6 e2; d 5 10 e2 y f 5 14 e2
Subniveles y número
máximo de electrones en
cada nivel de energía
Nivel Subnivel e–
1 o K 1s2 2
2 o L 2s2 2p6 8
3 o M 3s2 3p6 3d10 18
4 o N 4s2 4p64d10 4f14 32
5 u O 5s2 5p6 5d10 5f14 32
6 o P 6s2 6p6 6d10 18
7 o Q 7s2 7p14 8
K
1
L
2
M
3
N
4
O
5
P
6
Q
7n
Niveles de energía (n) de los electrones en la nube electrónica
Los cambios de órbita de
los electrones
La teoría atómica 157
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La nube electrónica según la mecánica cuántica
Luego de que el modelo de Bohr fuera aceptado, algunos estudios
sobre mecánica cuántica, la ciencia que se encarga del estudio de los
fenómenos físicos a escala microscópica, arrojaron evidencias como:
• La dualidad de la materia. En 1924, el francés Louis de Broglie
enunció el principio de que existe una onda asociada a toda partícula
en movimiento. A este principio se le denominó dualidad de la materia,
porque un electrón en movimiento se debe comportar a la vez como
onda y como partícula.
• El principio de incertidumbre. En 1927, Heisenberg concluyó
que, dado que el electrón se define como onda y como partícula, no se
puede determinar su posición y velocidad simultáneamente.
Estos principios condujeron a reformular el concepto de átomo. El físico
Erwin Schrödinger (1887-1961) consideró que la idea de Bohr sobre
la trayectoria definida del electrón, debe sustituirse por la probabilidad
de hallarlo en una zona del espacio alrededor del núcleo atómico. Esta
probabilidad configura una nube o densidad de carga electrónica, de
modo que las regiones donde existe una alta probabilidad de encontrar
al electrón, son las zonas de alta densidad electrónica.
Schrödinger propuso la llamada ecuación de onda, una ecuación
matemática que delimita las regiones en donde la probabilidad de hallar
un electrón en un momento dado es muy alta. Este espacio corresponde,
más o menos, a los orbitales establecidos por Bohr, por lo que el
concepto de niveles y subniveles de energía se mantiene en este modelo
actual del átomo. Así se tiene:
• Niveles de energía (n). Región de la nube electrónica donde se
encuentran los electrones con energía similar. Se designan con números
del mismo modo en que se enumeraban en el modelo de Bohr.
A medida que aumenta el nivel de energía, aumenta la distancia
con respecto al núcleo.
• Subniveles de energía (l). Cada nivel de energía está constituido por
uno o más subniveles, dado que los electrones de un mismo nivel no
tienen exactamente la misma energía. Los subniveles se designan por las
letras: s, p, d, f, y cada uno tiene una capacidad fija para alojar electrones.
• Orbitales. Dentro de cada subnivel, los orbitales representan la región
de la nube electrónica donde la posibilidad de encontrar un electrón
es estadísticamente más probable. Un orbital alberga como máximo
dos electrones, que se diferencian por el sentido de giro sobre su eje.
El método
de la lluvia
Los electrones de un
átomo no ocupan los
niveles y subniveles
de energía de forma
desordenada. Aunque
no se puede saber
la posición espacial
de un electrón en un
momento dado, su
ubicación en los nive-
les y subniveles
de energía se man-
tiene, a menos que
absorban o liberen
energía.
Como regla gene-
ral, los electrones
llenan los niveles de
energía en forma
ascendente; desde
los más cercanos al
núcleo hasta los más
alejados. El método
de la lluvia se usa
como procedimiento
didáctico para mostrar
el orden de llenado
de los subniveles y
niveles de energía de
los átomos.
Zoom
Ejemplos de subniveles de energía
El subnivel s
solo admite
dos electrones,
independientemente
si está en el nivel 1,
2 o 3.
El subnivel p, que admite seis
electrones, está conformado
por 3 orbitales p, que se
denominan px, py y pz según
su orientación espacial, y en
el que cada uno admite dos
electrones.
1s
2s 2p
7s 7p
3s 3p 3d
6s 6p 6d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f
K
L
N
O
P
Q
M
Orbital 1s Orbital 2s
Orbital pz
Orbital py Orbital px
158 La estructura de La materia
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La formación de iones
Un átomo eléctricamente neutro tiene igual número de electrones y de
protones, aunque estos pueden perder o ganar electrones para formar iones.
Los iones pueden ser de dos tipos:
• Cationes. Iones que se forman por la pérdida de electrones. En ese caso
el átomo deja de ser neutro porque excede en protones a los electrones
de la nube electrónica. El átomo queda entonces cargado positivamente,
como en el caso del ion sodio Na1, el cual se forma al perder un electrón.
• Aniones. Iones que se forman tras la ganancia de electrones.
Estos iones tienen carga negativa pues exceden en electrones al número
de protones en el núcleo. Por ejemplo, el ion cloruro Cl2 es un anión
que tiene 18 electrones en vez de 17.
Las interacciones entre partículas
subatómicas: la interacción nuclear fuerte
Además de las interacciones electromagnéticas que suceden entre partículas
con carga eléctrica, como los neutrones y los protones, en el núcleo del
átomo está presente otra clase de fuerza llamada interacción nuclear fuerte.
La interacción nuclear fuerte actúa entre partículas subatómicas que están
muy cercanas entre sí, como en el caso de los protones y neutrones en el
núcleo. Esta fuerza es superior a la fuerza eléctrica que tiende a separar
los protones unos de otros. La fuerza nuclear mantiene las interacciones
protón-protón, protón-neutrón y neutrón-neutrón, de modo que el núcleo
atómico se mantiene estable. Sin embargo, debido a que la fuerza nuclear
fuerte solo se da entre protones y neutrones adyacentes, la estabilidad del
átomo depende de su tamaño.
Los núcleos de átomos muy grandes tienden a ser menos estables que los
pequeños. Esto se debe a que mientras el átomo es más grande, mayor
será el número de protones en el núcleo que se tienen que estabilizar,
y en un átomo grande no todos los nucleones son vecinos. En estos
casos, las fuerzas nucleares son superadas por las fuerzas eléctricas y la
presencia de neutrones extra causa inestabilidad, por lo que se descompone
emitiendo partículas subatómicas en forma de radiación, para adquirir una
configuración más estable.
Las fuerzas nucleares fuertes son determinadas por la energía de enlace
del núcleo, que puede definirse como la energía necesaria para mantener
ligados a los nucleones. Esta energía se identifica a su vez con la liberada
en la formación de un núcleo a partir de los nucleones constituyentes.
Sales disueltas
como electrolitos
Casi todas las sales
solubles son compuestos
iónicos, tanto en estado
sólido como en solución,
y se las llaman electrolitos
cuando sus iones libres
dan lugar a un soluciones
que son conductoras de
corriente eléctrica.
Zoom
Fuerza
repulsiva
p1
p1
n
n
Interacción
nuclear
fuerte
Núcleo de helio (He)
La teoría atómica 159
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Actividades Para realizar en el cuaderno
1 Responde los siguientes planteamientos:
a) ¿Por qué han existido diferentes modelos para explicar la estructura del átomo
a lo largo de la historia?
b) ¿Qué se entiende, en el modelo de Bohr, por niveles y subniveles de energía?
c) ¿Por qué los átomos con un número atómico elevado son menos estables
que los átomos con número atómico bajo?
d) ¿Cuál es la razón para que se asegure que casi el 99% de la masa del átomo
se encuentra en el núcleo? Demuéstralo con un ejemplo.
e) ¿Es posible interpretar gráficamente un átomo de oro, según el modelo atómico actual?
¿Por qué? ¿Cómo la harías?
2 Señala las diferencias entre:
a) Aniones y cationes
b) Isótopos e iones
c) Protones y electrones
d) Neutrones y protones
3 Elabora un cuadro sobre las partículas subatómicas de los siguientes elementos y sus iones.
Usa la información que se encuentra en la tabla periódica para completar seis columnas que
incluyan: Nombre y tipo de partícula,número de electrones, de protones y de neutrones,
y configuración de los niveles y subniveles de energía utilizando el método de la lluvia.
4 Elabora una tabla para comparar el modelo atómico de Thompson con el modelo atómico
actual, basado en la mecánica cuántica.
5 Resuelve los siguientes problemas:
a) El litio tiene dos isótopos de número másico 6 y 7. La masa molar del litio que se encuentra
en la naturaleza está formada por una mezcla de los dos isótopos, y tiene un valor de 6,94.
Calcula el porcentaje de cada isótopo en esta mezcla.
b) Un átomo tiene número atómico 20 y masa atómica 40, responde:
• ¿Cómo está constituido su núcleo?
• ¿Cómo están distribuidos sus electrones?
• ¿En qué período del sistema periódico se encuentra situado?
• ¿En qué grupo del sistema periódico se encuentra situado?
Nombre
Tipo
de partícula
Número
de electrones
Número
de protones
Número
de neutrones
Configuración
electrónica
Elemento Li B r P t C a S S i
Ión Li1 Br2 Pt21 Ca21 S22 Si41
160 La estructura de La materia
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Copia y completa el siguiente mapa conceptual:
En síntesis
Átomo
Química cotidiana
El tubo de rayos catódicos y el televisor
Desde los inicios de la televisión, y por muchas
décadas, el televisor, y luego los monitores de las
computadoras, funcionaron exclusivamente basados
en el tubo de rayos catódicos. Aún hoy en día,
muchos hogares siguen utilizando estos modelos.
Estos monitores tienen en su interior un tubo al
vacío que proyecta un haz de electrones hacia una
región ampliada que hace de pantalla. La pantalla
está cubierta en su interior de fósforo, que brilla
cuando es alcanzado por el haz de electrones. Para ajustar
la imagen una serie de bobinas, que funcionan como imán,
permiten enfocar el rayo de electrones en la pantalla.
Esta tecnología, vigente durante casi ochenta años, ha
sido desplazada actualmente por los televisores de pantalla
plana con tecnología led o LCD, que funcionan bajo otros
principios.
Análisis y aplicación
Revisa en tu hogar, o en casa de algún familiar, si hay
un televisor de tubo de rayos catódicos, y compáralo
con un televisor de plasma o LCD. Puedes también buscar
ambos modelos en la Web.
tiene
constituido por
cuyo exceso
o defecto forma
constituido por
constituido por
Nube electrónica
Protones
Iones
TV de tubo de rayos catódicos
TV plasma
La teoría atómica 161
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El enlace químico
TEMA 3
ACTÍVATE
¿De qué manera se combinan los átomos para formar las moléculas y dar
estructura a la materia? ¿Por qué crees que existe materia en diversos estados
físicos a una misma temperatura?
La naturaleza del enlace químico
El enlace químico se puede defi nir como la interacción que existe
entre los átomos que conforman una molécula. Esta interacción es
de naturaleza variable; es decir, no es exactamente igual para todos
los compuestos y depende en gran medida de las características de los
átomos que forman el enlace.
El enlace químico se produce por la interacción de los electrones
más alejados del núcleo de dos átomos diferentes. Estos electrones
se encuentran en un nivel de energía defi nido que se llama capa de
valencia. La capa de valencia está determinada por la confi guración
electrónica de los átomos.
La configuraión electrónica de un átomo es la forma abreviada de representar la distribución
de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de energía disponibles para un átomo.
Esta representación se basa en premisas muy claras, todas consistentes con el modelo mecano-cuántico
del átomo. Estas premisas son:
El principio de mínima energía
Establece que los electrones se alojan primero
en los niveles, subniveles y orbitales de más
baja energía y progresivamente van llenando
niveles más energéticos. Esta distribución sigue
la regla de la lluvia en la mayoría de los casos.
En el boro, el orbital 1s y está lleno. Los
dos electrones están en el mismo nivel de
energía (1), en el mismo subnivel y el
mismo orbital (s), pero tienen espines
opuestos. El espín siempre tiene al valor
de ½ (� ) y ½ ( ) según el electrón gire
en sentido a favor u opuesto a las
manecillas del reloj.
En el boro, se llena primero el orbital 1s, luego
el orbital 2s y el electrón restante se aloja en
uno de los orbitales p.
En el oxígeno (Z = 8), hay ocho electrones
distribuidos en los niveles 1 y 2. En el nivel 2p
habría 4 electrones.
2. El principio de exclusión de Pauli 3. La regla de Hund
El primer par de electrones se aloja
en el orbital 1s (2e-).
El segundo par de electrones se aloja
en el orbital 2s (2e-).
El último electrón se encuentra en un orbital
p del nivel 2 (1e-).
•
•
•
1s
Boro
Oxígeno
1S2 2S2 2P11S1 2S1 2P3
CorrectaIncorrecta
1S2 2S2 2P4
Correcta
1.
+ -
K
L
N
O
P
Q
M
Por ejemplo, el boro tiene un número atómico
Z = 5, es decir que tiene 5 electrones en la nube
electrónica. Si se observa el esquema
del método de la lluvia se tiene que:
Establece que los electrones de un determinado
subnivel de energía se alojan en orbitales
diferentes hasta que todos tengan al menos
un electrón, y luego se completa cada uno
de los orbitales según el principio
de exclusión de Pauli.
Establece que un orbital admite solo
dos electrones y que estos deben girar
en sentido opuesto. Se representan
con flechas en direcciones opuestas.
La confi guración electrónica de un átomo
162 la Estructura dE la matEria
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La configuración electrónica y la capa de valencia
La capa de valencia de un átomo es el último nivel energético donde
hay electrones. Por ejemplo, para el boro, la capa de valencia es el nivel
2p. En el caso del grupo VIIIA de la tabla periódica, y con excepción
del helio que tiene dos electrones, todos los gases nobles tienen ocho
electrones en su último nivel de energía. Esta configuración electrónica
les confiere gran estabilidad a sus átomos, pues los electrones de la
última capa están todos apareados llenando los orbitales. Por eso, los
gases nobles no suelen combinarse con otros átomos y son muy estables.
La regla del octeto
La capacidad de los átomos de reaccionar y enlazarse con otros está
relacionada con la búsqueda de una mayor estabilidad electrónica. En
1916 G. Lewis y W. Kossel, propusieron la regla del octeto, en la que
para la formación de un enlace químico, los átomos reciben, ceden
o comparten electrones con otros átomos, completando ocho electrones
en su último nivel de energía, para adquirir la configuración del gas
noble más próximo de la tabla periódica. Para cumplir esto, algunos
átomos ceden electrones, otros los ganan y otros los comparten.
Los átomos pueden lograr la configuración electrónica de un gas noble
mediante dos tipos de enlaces: el iónico y el covalente.
El enlace iónico
El enlace iónico se produce cuando un átomo metálico cede electrones
a uno no metálico. De este modo, el átomo que pierde electrones se
convierte en un catión, de carga positiva; y el que ha ganado electrones
se convierte en un anión, de carga negativa. Ambos iones, por tener
carga contraria, se atraen debido a fuerzas de atracción electrostáticas
y quedan unidos. El enlace iónico es la fuerza de atracción que
mantiene unidos a los iones positivos con los negativos.
En todo enlace iónico existe una transferencia de electrones entre
los átomos. Los compuestos que tienen este tipo de enlace se llaman
compuestos iónicos y son la mayoría de los compuestos inorgánicos.
Los compuestos iónicos son eléctricamente neutros a pesar de estar
constituidos por iones, ya que contienen igual carga positiva y negativa.
El enlace iónico se puede representar usando las estructuras deLewis,
es decir, puntos que representan los electrones en la capa de valencia
de un átomo. Por ejemplo:
Sodio. Tiene un electrón en la capa de valencia. Al cederlo su capa
de valencia queda sin electrones, pero el siguiente nivel tiene 8 e2
cumpliendo la regla del octeto y adquiriendo la configuración electró-
nica del gas noble neón.
Cloro. Tiene siete electrones en la última capa electrónica y tiende a
ganar un electrón para tener la configuración del gas noble argón.
Calcio. Tiene dos electrones en la capa de valencia. Al cederlos adquiere
la configuración del gas noble argón.
Flúor. Tiene siete electrones en la capa de valencia. Al ganar un electrón
adquiere la configuración electrónica del gas noble neón.
Na • Cl Na� [ Cl ]–
Ca Ca�2 [ ]
2
F
F
–1
F
Na • Cl Na� [ Cl ]–
Ca Ca�2 [ ]
2
F
F
–1
F
Cuando se forman los cationes y los
aniones, la nube electrónica de los áto-
mos cambia. En la formación del fluoruro
de litio (LiF), el litio pierde un electrón
del nivel 2s y adquiere la configuración
1s2 del helio, mientras que el flúor gana
un electrón y completa ocho electrones
en el nivel 2, adquiriendo la configura-
ción del neón.
Variación de las nubes
electrónicas de los iones en
la formación de compuestos
Átomo de litio
Ion de litio
Átomo de flúor
Ion de flúor
El EnlacE químico 163
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Los cristales o sólidos cristalinos
A temperatura ambiente no existen compuestos iónicos en estado
gaseoso ni líquido, permanecen en estado sólido. Eso se debe a que
forman cristales, que están constituidos por partículas ordenadas en un
patrón geométrico definido que se repite numerosas veces. El arreglo
tridimensional de estas partículas forma la red o retículo cristalino cuya
unidad geométrica se llama celda unidad. Los cristales son de varios tipos:
• Iónico. Formado por iones unidos por fuerzas electrostáticas, como
el cloruro de sodio (NaCl) o el nitrato de sodio (NaNO2).
• Molecular. Formados por moléculas que pueden ser no polares, como
el yodo (I2), o polares, como el agua (H2O).
• Covalente. Formado por átomos unidos por enlaces covalentes, como
el diamante, el grafito o el óxido de silicio (SiO2).
En general, los sólidos cristalinos están unidos por fuerzas
intermoleculares de diferente naturaleza, como enlaces metálicos,
atracciones entre iones o enlaces covalentes, además de enlaces
de hidrógeno y fuerzas de Van der Waals.
El enlace covalente
Todos los átomos son diferentes y tienen propiedades distintas
de acuerdo a su configuración electrónica. Algunos átomos no tienen
la capacidad de atraer o ceder electrones con tanta facilidad y por ende
no se produce una transferencia electrónica, por lo que se observa otro
fenómeno diferente: los átomos, en vez de transferir electrones, los
comparten en la capa de valencia, de tal manera que ambos cumplen
la regla del octeto. Este tipo de enlace se denomina enlace covalente.
El enlace covalente ocurre en compuestos moleculares de elementos
no metálicos, como el CO2 o el H2O. Los enlaces covalentes pueden
ser polares o no polares y comunes o dativos.
Enlace covalente no polar y enlace covalente polar
Un enlace se puede clasificar como no polar o polar según
las electronegatividades de los átomos que lo componen.
La electronegativi-
dad
La electronegatividad
es una medida de
la capacidad de un
átomo de atraer elec-
trones. Este factor
permite la captura de
electrones de valencia
entre los átomos que
forman el enlace y
sirve para predecir el
tipo de enlace que se
forma. Los elementos
pueden ser electrone-
gativos o electroposi-
tivos.
• Elementos electro-
negativos. Tienden
a ganar electrones.
Los no metales son
electronegativos.
• Elementos electro-
positivos. Tienden
a perder o ceder
electrones. Los me-
tales son elementos
electropositivos.
Zoom
Enlace covalente no polar. Se forma entre átomos iguales, o diferentes,
siempre y cuando la diferencia de electronegatividades sea cero o muy pequeña.
En este enlace, los electrones son atraídos por ambos núcleos con la misma
intensidad, generando moléculas cuya nube electrónica es uniforme.
Estructura cristalina
F–
Ca2+
02–
Ti4–
La estructura cristalina del
fluoruro de calcio obedece
a las características de un
cristal iónico.
ClH H Cl
Ejemplo: HCl
Enlace covalente polar. Se forma entre átomos diferentes cuya diferencia
de electronegatividad es alta. En este enlace, el átomo más electronegativo
atrae con mayor intensidad a los electrones compartidos. Esto crea una
diferencia en la distribución de la nube electrónica, que se hace más densa
alrededor del átomo más electronegativo (2).
Ejemplo: Cl2
ClCl Cl Cl
164 la Estructura dE la matEria
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Enlace covalente común y enlace covalente dativo
Los enlaces también se pueden clasificar de acuerdo con
la cantidad de electrones que aportan los átomos para compartir
con los otros átomos. Así, se tiene:
El enlace metálico
El enlace metálico es el que se establece entre un gran número
de cationes que se mantienen unidos por una nube de electrones.
Este es el tipo de enlace que mantiene unidas, por ejemplo, a las
partículas que forman los metales, tales como el sodio, el cromo
o el aluminio.
Los metales están formados por átomos de un mismo elemento
metálico que se unen formando redes cristalinas, constituidas
como esferas iguales empacadas de la manera más compacta
posible. Este tipo de red metálica se forma como consecuencia
de la configuración electrónica de los metales que, en el último
nivel energético, tienen pocos electrones. Estos electrones son
pobremente retenidos, por lo que fluctúan de un átomo a otro y
pertenecen simultáneamente a todos los átomos de la red, sin estar
ligados a uno en particular. De esta manera, por breves períodos,
todos los átomos de la red llegan a cumplir con la regla del octeto.
Esta nube de electrones es la que confiere a los metales las
propiedades de buena conducción de calor y electricidad,
ya que, bajo la influencia de acciones externas, como diferencia
de potencial eléctrico o de temperatura entre dos puntos,
los electrones pobremente retenidos se mueven libremente
en una dirección determinada facilitando la variación de
temperatura o el establecimiento de una corriente eléctrica.
Enlace covalente común. Cada átomo aporta
un electrón del par que comparte (el esquema solo
representa la capa de valencia de los átomos).
Rojo. Metales muy reactivos. Forman
compuestos iónicos estables y solubles.
Verde. Metales muy reactivos. Se encuentran
en forma de carbonatos y sulfatos.
Azul. Metales con gran tendencia a formar sulfuros.
Amarillo. Metales reactivos.
Blanco. Metales nobles. Poco reactivos.
Enlace covalente dativo
(o coordinado). El par de
electrones compartido solo es
aportado por uno de los átomos
(el esquema solo representa la
capa de valencia de los átomos).
En la representación de la red de un cuerpo
metálico, los iones positivos (cationes) se
ilustran como esferas, y los electrones libres
forman la nube electrónica que mantiene
unidos a los cationes.
La red metálica
O
HH
Li
Na
K
Rb
Cs
Be
Mg
Ca
Sr
Ba
Sc
Y
La
Ti
Zr
Hf
V
Nb
Ta
Cr
Mo
W
Mn
Tc
Re
Fe
Ru
Os
Co
Rh
Ir
Ni
Pd
Pt
Cu
Ag
Au
Zn
Cd
Hg
Al
Ga
In
Tl
Ge
Sn
Pb
O
O
O
S
Reactividad de los metales en la tabla periódica
O H
H
Covalente
dativo
S O
O
O
Covalente común
Covalente
dativo
El EnlacE químico 165
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Actividades Para realizar en el cuaderno
Estado natural
Punto de fusión
Dureza
Capacidad conductora
de calor y electricidad
Solubilidad en agua
1 Señala si las siguientes configuraciones