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Química General · Atoms, moles and stoichiometry

Átomos, isótopos y la tabla periódica

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

¿Atascado con átomos, isótopos y la tabla periódica? Escanea el problema.

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Lo que aprenderás

  • Describe the proton, neutron and electron by charge, mass and location, and connect the gold-foil and oil-drop experiments to the nuclear atom and the elementary charge.
  • Read and write isotope notation, and count protons, neutrons and electrons in atoms, monatomic ions and polyatomic ions.
  • Calculate an average atomic mass from isotope masses and abundances, and work backwards to an unknown abundance or isotope mass.
  • Interpret the mass spectra of elements, including the peak patterns of Cl₂ and Br₂ molecules built from two isotopes.
  • Locate elements by group and period, name the main groups, and classify elements as metals, nonmetals or metalloids.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

Leer la lección gratis (7 partes)

Dentro del átomo

Un átomo tiene un núcleo diminuto y denso, formado por protones y neutrones, rodeado de electrones. El protón tiene carga elemental +1 y masa 1.00728 u; el neutrón no tiene carga y su masa es 1.00866 u; el electrón tiene carga −1 y masa 0.000549 u, alrededor de 1/1836 de la de un protón. La carga elemental e es 1.602 × 10⁻¹⁹ C. Casi toda la masa del átomo se concentra en el núcleo, que mide solo entre unos 10⁻¹⁵ y 10⁻¹⁴ m, mientras que el átomo completo mide unos 10⁻¹⁰ m. Dos experimentos construyeron esta imagen. En el experimento de la lámina de oro, casi todas las partículas α atravesaban directamente una lámina delgada de oro, pero una fracción muy pequeña rebotaba en ángulos grandes: la carga positiva y la masa deben estar concentradas en un núcleo muy pequeño, y el resto del átomo es casi espacio vacío. En el experimento de la gota de aceite, la carga medida de cada gota era un múltiplo entero de una carga mínima, 1.602 × 10⁻¹⁹ C, de modo que la carga viene en unidades de e.

Número atómico, número de masa e isótopos

El número atómico Z es el número de protones; define al elemento. El número de masa A es la suma de protones más neutrones, así que neutrones = A − Z. La notación isotópica escribe A como superíndice izquierdo y Z como subíndice izquierdo: ⁵⁶₂₆Fe tiene 26 protones y 30 neutrones, y también se escribe hierro-56 o ⁵⁶Fe. Los isótopos son átomos del mismo elemento (mismo Z) con distinto número de neutrones, como ¹²C, ¹³C y ¹⁴C. Como los isótopos tienen el mismo número de protones y electrones, presentan la misma configuración electrónica y esencialmente la misma química; difieren en masa. Átomos de elementos distintos con el mismo A, como ⁴⁰Ar y ⁴⁰Ca, no son isótopos. La unidad de masa atómica se define como exactamente un doceavo de la masa de un átomo de ¹²C, de modo que ¹²C tiene exactamente 12 u y la masa de cualquier otro isótopo, como ¹⁶O con 15.9949 u, se mide con respecto a ella.

Contar partículas en los iones

Un ion se forma cuando un átomo gana o pierde electrones; el núcleo no cambia. Un catión tiene menos electrones que protones y un anión tiene más: electrones = Z − carga. ⁵⁶Fe³⁺ tiene 26 protones, 30 neutrones y 26 − 3 = 23 electrones, y ³²S²⁻ tiene 16 protones, 16 neutrones y 16 + 2 = 18 electrones. Para un ion poliatómico, suma los protones de todos los átomos y luego corrige por la carga. El ion amonio (representado) tiene 7 + 4 × 1 = 11 protones y 11 − 1 = 10 electrones. Las especies con el mismo número de electrones son isoelectrónicas: Na⁺, Mg²⁺, F⁻ y Ne tienen todas 10.

Masa atómica promedio

La masa atómica que aparece en la tabla periódica es el promedio ponderado por abundancia de las masas isotópicas: promedio = Σ (abundancia fraccionaria × masa isotópica). El galio es 60.11% ⁶⁹Ga (68.9256 u) y 39.89% ⁷¹Ga (70.9247 u): 0.6011 × 68.9256 + 0.3989 × 70.9247 = 41.4312 + 28.2919 = 69.723 u. El promedio queda más cerca del isótopo más abundante, y ningún átomo individual de galio tiene una masa de 69.723 u. Para resolver hacia atrás con dos isótopos, sea x la fracción del más ligero: x × 68.9256 + (1 − x) × 70.9247 = 69.723 da x = (70.9247 − 69.723)/(70.9247 − 68.9256) = 1.2017/1.9991 = 0.6011, es decir, 60.11%. Con tres isótopos y una abundancia desconocida, usa el hecho de que las fracciones suman 1. Convierte siempre los porcentajes a fracciones y usa masas isotópicas en lugar de números de masa cuando te den datos precisos.

Espectros de masas de los elementos

Un espectrómetro de masas ioniza una muestra, separa los iones según su relación masa-carga (m/z) y registra cuántos llegan a cada m/z. Para iones atómicos con carga sencilla, cada pico corresponde a un isótopo y las alturas de los picos dan las abundancias relativas; junto con las masas isotópicas, permiten obtener la masa atómica promedio. Los átomos de cloro dan picos en m/z 35 y 37 en una relación de aproximadamente 3 : 1, y los átomos de bromo dan m/z 79 y 81 en una relación de aproximadamente 1 : 1. Las moléculas diatómicas combinan dos átomos al azar. Br₂ (representado) da iones moleculares en m/z 158 (⁷⁹Br⁷⁹Br), 160 (⁷⁹Br⁸¹Br) y 162 (⁸¹Br⁸¹Br). El pico central puede formarse de dos maneras, con ⁷⁹Br primero o con ⁸¹Br primero, así que con abundancias iguales las alturas son ½ × ½ : 2 × ½ × ½ : ½ × ½ = 1 : 2 : 1. El pico central no es un tercer isótopo. De igual modo, Cl₂ da tres picos de ion molecular, en m/z 70, 72 y 74, cuyas alturas se obtienen multiplicando las abundancias del cloro de la misma manera.

La tabla periódica

La tabla periódica moderna ordena los elementos por número atómico, no por masa atómica. Por eso el telurio (Z = 52, 127.60 u) va antes que el yodo (Z = 53, 126.90 u): el yodo pertenece al grupo de los halógenos, con los que se parece. Las filas son los periodos (1 a 7) y las columnas son los grupos, numerados del 1 al 18. Los grupos 1, 2 y 13 a 18 son los elementos de los grupos principales, los grupos 3 a 12 son los metales de transición, y los lantánidos y actínidos son los metales de transición internos que se muestran debajo de la tabla. Grupos con nombre: grupo 1, metales alcalinos (el hidrógeno está ahí, pero es un no metal); grupo 2, metales alcalinotérreos; grupo 16, calcógenos; grupo 17, halógenos; grupo 18, gases nobles. Los metales quedan a la izquierda de una línea escalonada que va del boro al ástato, y los no metales a la derecha; los metaloides B, Si, Ge, As, Sb y Te se ubican sobre ella. Los periodos 1, 2 y 3 contienen 2, 8 y 8 elementos; los periodos 4 y 5 contienen 18 cada uno; los periodos 6 y 7 contienen 32 cada uno porque incluyen el bloque f. Los metales de los grupos principales tienden a perder electrones para alcanzar el número de electrones del gas noble anterior (Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺), y los no metales tienden a ganar electrones para alcanzar el siguiente (N³⁻, O²⁻, Cl⁻).

Lo que conviene recordar

Z cuenta los protones y fija el elemento; A − Z cuenta los neutrones; electrones = Z − carga. Los isótopos comparten Z y su química, pero difieren en masa, y la masa atómica es su promedio ponderado por abundancia, que también puedes resolver hacia atrás para una abundancia o una masa desconocidas. En un espectro de masas, los picos atómicos son isótopos, mientras que las moléculas diatómicas dan picos combinados cuyas alturas son productos de las abundancias isotópicas. La tabla periódica se ordena por Z, y el grupo y el periodo de un elemento lo ubican entre los metales, los no metales y los metaloides.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Predice el producto 2

Espectros de masas de los elementos

  • Picos del ion molecular del Cl₂Predecir las posiciones y las alturas relativas de los picos del ion molecular de un elemento diatómico con dos isótopos.

La tabla periódica

  • Predecir el ion a partir de la posición del elementoPredecir el ion monoatómico común de un elemento representativo a partir de su grupo y su periodo, y contar sus electrones.

Clasificar 6

La tabla periódica

  • Encuentra el metal alcalinotérreoReconoce un miembro de un grupo con nombre de la tabla periódica.
  • Encuentra el metaloideClasifica los elementos del periodo 3 como metales, metaloides o no metales.
  • Ubica el selenioIndica el grupo y el período de un elemento representativo.

Partículas, isótopos e iones

  • Identifica los isótoposDistingue un par de isótopos de pares de elementos diferentes, de alótropos, o de un átomo y su ion.
  • Escribe el símbolo del isótopoEscribe el símbolo isotópico de un átomo neutro a partir de su número de protones y de neutrones.
  • ¿Qué partícula es?Identifica una partícula subatómica a partir de su carga, su masa y su ubicación.

Comparar 3

Partículas, isótopos e iones

  • Ordenar según el número de electronesOrdenar átomos e iones monoatómicos según su número de electrones.
  • Ordena según el número de neutronesOrdena nucleidos, incluidos varios con el mismo número de masa, según su número de neutrones.

Masa atómica promedio

  • ¿Cuál isótopo del iridio es más común?Determina cuál de dos isótopos es más abundante a partir de la posición de la masa atómica promedio.

Calcular 11

Partículas, isótopos e iones

  • Partículas en un ion de aluminioIndica los números de protones, neutrones y electrones de un catión monoatómico.
  • Neutrones en el agua pesadaContar los neutrones de una molécula formada por isótopos específicos.
  • Neutrones en un ion de plomo(II)Cuenta los neutrones de un catión monoatómico a partir de su número de masa y su número atómico.
  • ¿Cuánto más pesado es un protón?Compara las masas del protón y del electrón como una relación.
  • Electrones totales en el sulfatoCuenta todos los electrones, internos y de valencia, de un anión poliatómico.

Espectros de masas de los elementos

  • Altura del pico m/z 72 del Cl₂Calcular la altura relativa del pico del ion molecular de isótopos mixtos del Cl₂ a partir de abundancias precisas.

Masa atómica promedio

  • Masa atómica promedio del cloroCalcular una masa atómica promedio a partir de dos masas isotópicas y sus abundancias porcentuales.
  • Masa atómica del uranio enriquecidoCalcular la masa atómica promedio de una muestra enriquecida isotópicamente.
  • Masa atómica promedio del magnesioCalcula la masa atómica promedio de un elemento con tres isótopos.
  • Masa de un átomo de oxígeno-16 en uUsa la definición de la unidad de masa atómica para convertir una relación de masas respecto al carbono-12 en la masa de un isótopo.

La tabla periódica

  • ¿Cuántos elementos hay en el periodo 6?Cuenta los elementos de un periodo a partir de los números atómicos de su primer y último miembro.

Encuentra el error 4

Espectros de masas de los elementos

  • ¿Tres picos, tres isótopos?Encontrar el error al interpretar los picos del ion molecular del Br₂ como isótopos distintos.

Partículas, isótopos e iones

  • ¿El Mg²⁺ pierde protones?Encontrar el error en una descripción de cómo se forma un catión a partir de su átomo.

La tabla periódica

  • ¿Es el hidrógeno un metal alcalino?Identificar el error de clasificar el hidrógeno por su posición en la parte superior del grupo 1.

Masa atómica promedio

  • Un atajo para la masa atómica del bromoEncuentra el error en un cálculo de masa atómica promedio que ignora las abundancias isotópicas.

Interpreta la evidencia 4

Espectros de masas de los elementos

  • Abundancia a partir del espectro de átomos de cloroConvertir alturas relativas de picos de un espectro de masas atómico en una abundancia porcentual.
  • Masa atómica del cobre a partir de su espectroCalcular la masa atómica promedio directamente a partir de las alturas relativas de los picos y las masas de los isótopos.
  • ¿Qué elemento produce este espectro?Identificar un elemento a partir de las posiciones y las alturas de los picos de sus isótopos.

Partículas, isótopos e iones

  • Encuentra la unidad de carga a partir de las gotas de aceiteExtrae la carga elemental de un conjunto de cargas de gotas que son múltiplos enteros de ella.

Trabaja hacia atrás 5

Masa atómica promedio

  • Porcentaje de boro-10 a partir de la masa atómicaTrabajar hacia atrás desde una masa atómica promedio hasta la abundancia de uno de dos isótopos.
  • Abundancia del magnesio-26Calcula una abundancia desconocida en un elemento con tres isótopos usando la masa atómica promedio y la suma de las fracciones.
  • Masa del isótopo plata-109Trabaja hacia atrás desde la masa atómica promedio hasta la masa de un isótopo.

Partículas, isótopos e iones

  • Nombra el ion a partir de sus partículasTrabaja a la inversa desde los números de protones, neutrones y electrones hasta el símbolo completo de un ion.

La tabla periódica

  • ¿Qué elemento forma este ion?Identifica un elemento y su posición en la tabla a partir del número de electrones y la carga de su ion.

Planea una síntesis 1

  • Qué medir para obtener una masa atómicaElige las mediciones necesarias para determinar la masa atómica promedio de un elemento.

Explica por qué 4

La tabla periódica

  • Por qué el argón va antes que el potasioExplica por qué la tabla periódica se ordena por número atómico y no por masa atómica.

Masa atómica promedio

  • ¿Por qué 35,45 u?Explicar por qué la masa atómica de la tabla periódica no tiene por qué coincidir con la masa de un átomo individual.

Partículas, isótopos e iones

  • Qué demostró el experimento de la lámina de oroExplicar cómo la dispersión de partículas α por una lámina de oro conduce a un núcleo pequeño, denso y positivo.
  • Por qué los dos isótopos del cloro reaccionan igualExplica por qué los isótopos de un elemento tienen esencialmente las mismas propiedades químicas.

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