Tema 4. La estructura de la materia. Ejercicios resueltos 1. ¿Qué decía Dalton acerca de los átomos de un elemento, en la segunda hipótesis de su teoría? ¿Se mantiene hoy en día dicha hipótesis? Para Dalton, los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí en tamaño y masa, pero distintos de los átomos de otro elemento diferente. Hoy día sabemos que esto no es así, porque también puede haber átomos distintos de un mismo elemento, a los que denominamos isótopos. 2. Completa las frases siguientes: a) Objetos cargados con cargas del ____________________ signo se repelen. b) Objetos cargados con cargas de ____________________ signo se atraen. c) La carga eléctrica ni se ______________ ni se destruye: se ______________________. d) Si frotas un bolígrafo de _____________________ con un trapo de lana, el bolígrafo se ______________________. a) Objetos cargados con cargas del mismo signo se repelen. b) Objetos cargados con cargas de distinto signo se atraen. c) La carga eléctrica ni se crea ni se destruye: se conserva. d) Si frotas un bolígrafo de plástico con un trapo de lana, el bolígrafo se electriza. 3. ¿Qué distingue a los neutrones de los protones y de los electrones? ¿Por qué se descubrió más tarde el neutrón que el protón y el electrón? Los neutrones se diferencian de las otras partículas en que no tienen carga eléctrica. El neutrón se descubrió más tarde precisamente porque no tiene carga eléctrica y, por tanto, es más difícil detectar su presencia mediante los aparatos con que se investigaba en aquella época (placas fotográficas, cámaras de burbujas, cámaras de niebla…). 4. Expón brevemente las semejanzas y las diferencias entre los modelos atómicos de Thomson y de Rutherford. Lo único que tienen en común es que en ambos modelos hay electrones formando parte del átomo. En el modelo de Thomson, el átomo es una esfera uniforme, mientras que, de acuerdo con el modelo de Rutherford, la mayor parte del volumen que ocupa el átomo está vacío, y la materia se concentra en una región muy pequeña, el núcleo, que tiene carga positiva, mientras que los electrones giran en torno al núcleo a distintas distancias. 5. Representa un isótopo del magnesio, sabiendo que su número atómico es 12 y que tiene doce neutrones. El isótopo citado, como se muestra en la ilustración, tiene:
así mantener la neutralidad eléctrica); es decir, doce electrones.
6. Un átomo de cloro, Z = 17, gana un electrón. ¿Qué tipo de ion forma? ¿En qué capa colocará dicho electrón? Al ganar un electrón, el átomo de cloro pasará a tener un exceso de carga negativa, por lo que forma un ion negativo o anión. El electrón que gana lo colocará en la primera capa donde haya sitio, que, en este caso, es en la capa M. 7. ¿Cómo se justifica, con la teoría atómica de Dalton, que la masa se conserve en una reacción química? En una reacción química, los átomos se reagrupan de una forma distinta a como estaban inicialmente, pero ninguno desaparece, con lo que, como la masa total es la suma de las masas de todos los átomos, al conservarse los átomos, también se conservará la masa. 8. ¿Por qué se propusieron dos tipos de electricidad? ¿Cómo se llaman estos tipos? Porque había dos tipos de fuerzas entre los cuerpos electrizados: de atracción y de repulsión. Estos tipos de electricidad se llaman carga positiva y carga negativa. 9. Responde si las afirmaciones siguientes son verdaderas o falsas, y explica por qué: a) Las cargas del protón y del electrón son iguales. b) La masa de un protón es muy parecida a la masa de un electrón. c) La masa del neutrón es muy parecida a la del protón. d) La masa del átomo se reparte por todo el volumen del átomo. e) La carga del neutrón es igual a la carga del protón. f) La carga del electrón es igual, en valor absoluto, a la carga del protón. a) Falsa; difieren en el signo. b) Falsa; la masa del protón es, aproximadamente, 1 800 veces mayor que la del electrón. c) Verdadera. d) Falsa; la masa está concentrada casi totalmente en el núcleo. e) Falsa; el neutrón no tiene carga eléctrica. f) Verdadera. 10. Haz un dibujo del átomo de carbono, que tiene 6 protones, 8 neutrones y 6 electrones, indicando donde está cada una de las partículas. El átomo de carbono, tal y como se muestra en la ilustración inferior, tendrá:
11. Completa la tabla siguiente:
12. Un átomo de sodio, Z = 11, pierde un electrón. a) ¿Qué tipo de ion se forma? b) ¿En qué capa estaba el electrón que se pierde? c) Escribe la configuración electrónica del ion resultante. a) Como pierde un electrón, el átomo de sodio quedará con un exceso de carga positiva, por lo que se forma un ion positivo o catión. b) La configuración electrónica del átomo de sodio, con once electrones, es la que se muestra en la tabla: Capa K
Capa L
Capa M
2
8
1
Por tanto, como se pierde el electrón de la capa más externa, se perderá el electrón de la capa M. c) La configuración electrónica del ion Na+ es: Capa K
Capa L
Capa M
2
8
0
13. Escribe los nombres de los cuatro elementos de la teoría de la materia de Aristóteles. Los nombres de los cuatro elementos son: aire, fuego, tierra y agua. 14. A finales del siglo XIX, algunos científicos llegaron a la conclusión de que el átomo tiene en su interior cargas eléctricas. Indica algunos fenómenos que llevaron a esta conclusión.
Algunos fenómenos que llevaron a esta conclusión son las disoluciones conductoras de la corriente eléctrica o los rayos de los tubos de descarga. 15. ¿Cuál fue la primera partícula elemental que se descubrió? ¿Cómo se descubrió? La primera partícula elemental que se descubrió fue el electrón, gracias a los experimentos con tubos de descarga. 16. ¿Qué nuevo concepto del átomo propusieron Rutherford y su equipo? ¿En qué consiste? En el modelo de Rutherford se propuso la existencia del núcleo. El núcleo de un átomo es la región central de este, muy pequeña y con carga positiva, donde se concentra prácticamente toda la masa del átomo. 17. Un átomo neutro tiene Z = 11 y A =23. Indica cuántas partículas subatómicas tiene y cómo se encuentran distribuidas en el átomo. Tiene 34 partículas subatómicas: 11 protones y 12 neutrones en el núcleo, y 11 electrones moviéndose en torno al núcleo. 18. Indica el número de protones, neutrones y electrones de los siguientes isótopos, y escribe sus configuraciones electrónicas en forma de tabla:
a) 14 protones, 15 neutrones y 14 electrones. b) 10 protones, 12 neutrones y 10 electrones. c) 3 protones, 4 neutrones y 3 electrones. La tabla que solicita el enunciado es la siguiente:
19. ¿Por qué propuso Dalton su modelo atómico? Solución: Lo propuso para explicar las leyes ponderales de las reacciones químicas. 20. Describe algún fenómeno de electrización. Solución: Un fenómeno de electrización es frotar un bolígrafo de plástico con un trapo de lana; otro, acercar una tira de papel de aluminio a una regla de plástico que ha sido frotada previamente, etc. 21. ¿Qué observó el equipo de Rutherford, al estudiar los efectos de la radiactividad α en finas láminas de metales? Según el modelo atómico de Thomson, ¿cuál debería haber sido el efecto?
El equipo de Rutherford observó que la mayor parte de las partículas α atravesaban la fina lámina de oro sin desviarse, y que un número pequeño se desviaba y alguna retrocedía. Según el modelo de Thomson, la desviación de todas las partículas α debería ser parecida. 22. Describe el modelo atómico de Thomson y explica por qué se abandonó. Según el modelo atómico de Thomson, el átomo es una esfera uniforme cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones en cantidad suficiente para que el conjunto sea eléctricamente neutro. Este modelo se abandonó porque no podía explicar cómo se desviaban las partículas α en los experimentos realizados por Rutherford y su equipo. 23. ¿Por qué en cualquier átomo neutro el número de protones y el número de electrones coinciden? Porque de esta forma se anulan las cargas eléctricas positivas de los protones con las cargas eléctricas negativas de los electrones. 24. Escribe las configuraciones electrónicas de: a) Sodio (Z = 11). b) Cloro (Z = 17). c) Calcio (Z = 20). La tabla que solicita el enunciado del problema es la siguiente: Capa Capa Capa K L M
Capa N
Na
2
8
1
-
Cl
2
8
7
-
Ca
2
8
8
2
25. Escribe las cuatro hipótesis del modelo atómico de Dalton. Solución: 1. La materia está formada por pequeñas partículas discretas, inmutables y de tamaño fijo, denominadas átomos. 2. Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí en tamaño y masa, pero distintos de los átomos de otro elemento diferente. 3. Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de distintos elementos en una relación numérica sencilla. Como dicha relación numérica era imposible de calcular, Dalton supuso la relación 1: 1 para los compuestos más sencillos, asignando al agua la fórmula química HO; al amoniaco, NH; etc. 4. En una reacción química, los átomos se reagrupan de forma distinta a como lo estaban inicialmente, pero ni se crean ni se destruyen. 26. ¿Cómo se explica que un cuerpo electrizado pueda atraer a otro que no lo esté? Solución: Se explica porque las cargas del cuerpo electrizado atraen a las cargas de signo opuesto del otro cuerpo, y repelen a las del mismo signo. Así, el otro cuerpo queda cargado de
una manera en la zona próxima al cuerpo electrizado y con carga opuesta en la zona opuesta al cuerpo electrizado. 27. ¿Qué es la radiactividad natural? ¿Cuáles son los tipos de emisiones radiactivas? La radiactividad natural es la emisión espontánea de partículas y/o de radiación (energía). Los tipos de emisiones son: emisión alfa, α; emisión beta, β, y emisión gamma, γ. Los dos primeros tipos son radiaciones constituidas por partículas, mientras que la emisión gamma es radiación electromagnética de muy alta energía. 28. Explica cómo justificaba el modelo atómico de Thomson la existencia de iones. Solución: Según el modelo atómico de Thomson, los iones, observados anteriormente por Faraday, se formaban cuando un átomo perdía o ganaba uno o más electrones. 29. ¿Qué tienen en común y qué diferencia a los isótopos carbono-12 y carbono-14? Solución: Tienen el mismo número de protones y de electrones, seis, pero tienen distinto número de neutrones: el primero tiene seis neutrones, y el segundo, ocho. 30. ¿Qué tipos de iones puede formar un átomo? Pon un ejemplo de cada tipo. Un átomo puede formar iones con carga positiva o cationes (por ejemplo, el catión sodio, Na+) e iones con carga negativa o aniones (por ejemplo, el anión sulfuro, S 2-).