Estructura atómica y tabla periódica

Un filtro puede separar arena de una solución salina, pero no puede separar sodio de cloro en un cristal de sal. La diferencia radica en la combinación química. Este tema conecta las partículas de una sustancia con la separación, modelos atómicos y patrones de reacciones.

Use una tabla periódica proporcionada para identificar elementos. Cuente átomos antes de balancear una ecuación; cuente protones antes de identificar un elemento. Las ecuaciones iónicas/media-ecuaciones de Nivel Superior y el contenido exclusivo de Química de metales de transición están etiquetadas abajo.

Un átomo es la parte más pequeña de un elemento que puede existir. Un elemento contiene átomos con un número atómico de uno. Puede contener átomos individuales, como helio, o moléculas, como O₂. O₂ contiene dos átomos pero solo un elemento.

Un compuesto contiene dos o más elementos combinados químicamente en proporciones fijas. H₂O siempre tiene dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Los compuestos tienen propiedades diferentes a sus elementos y solo pueden separarse en elementos mediante reacciones químicas. Una reacción química produce una o más nuevas sustancias y a menudo presenta un cambio de energía detectable.

Aprenda nombres y símbolos correctamente capitalizados: Co significa cobalto, mientras que CO es monóxido de carbono. Use los primeros veintités elementos, Grupos 1 y 7 y otros elementos nombrados en este curso. Los primeros veintités son:

Las fórmulas dan la composición: MgCl₂ es cloruro de magnesio; Na₂O es óxido de sodio. Una ecuación verbal nombra reactivos y productos: magnesio + oxígeno → óxido de magnesio. Una ecuación simbólica usa sus fórmulas.

Método resuelto — balanceo: comenzar con Mg + O₂ → MgO. Hay dos átomos de oxígeno a la izquierda y uno a la derecha. Colocar 2 delante de MgO, luego 2 delante de Mg: 2Mg + O₂ → 2MgO. Verificar Mg: 2 = 2; O: 2 = 2. Cambiar coeficientes de partículas enteras, no los subíndices en la fórmula de una sustancia. MgO₂ sería una fórmula diferente. Tres moléculas de H₂O contienen seis átomos de H y tres de O.

Nivel superior — carga además de átomos: el zinc forma Zn²⁺ al perder dos electrones: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Ambos lados tienen carga neta cero. Un ion de cobre gana dos: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Sumar las semiecuaciones cancela electrones: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Los iones sulfato presentes sin cambios en solución son iones espectadores y se omiten. Verificar átomos y carga total después de la cancelación; no cancelar especies que cambian.

Una mezcla contiene sustancias no combinadas químicamente. Cada una conserva sus propiedades químicas. La separación física no produce nuevas sustancias; elegir un método usando las propiedades de los componentes y el producto deseado.

Método resuelto — sal pura y seca de arena, sal y agua: agitar para disolver cualquier sal restante. Filtrar; la arena permanece en el papel y la solución salina pasa a través. Calentar suavemente el filtrado para evaporar algo de agua, luego enfriar para formar cristales. Filtrar los cristales y secarlos entre papeles de filtro. Lavar la arena con una pequeña cantidad de agua puede recuperar la solución salina atrapada con ella. Filtrar solo no puede recoger la sal disuelta.

La destilación recupera un líquido por evaporación seguida de condensación.

Ejemplo resuelto — recuperar el agua: utiliza destilación simple. Calienta la solución salina; el vapor de agua sale del matraz, se enfría en un condensador y se recoge como agua líquida. La evaporación sin recoger el vapor hace perder el producto deseado. Elige destilación fraccionada para dos líquidos miscibles; un filtro no puede separarlos. Para cromatografía, mantén la línea de inicio con lápiz por encima del disolvente para que la muestra suba por el material estacionario en lugar de disolverse directamente en el depósito de disolvente.

Un modelo científico es una representación que explica evidencias. Nuevas observaciones pueden modificarlo o reemplazarlo. Los átomos tempranos eran esferas diminutas e indivisibles. El descubrimiento del electrón negativo requirió estructura interna, dando lugar al modelo del pudín de pasas: electrones incrustados en una esfera difusa de carga positiva.

En la dispersión alfa, la mayoría de las partículas alfa positivas atravesaron un fino metal, algunas fueron desviadas y muy pocas rebotaron. Estas observaciones apoyan diferentes conclusiones:

El modelo nuclear reemplazó la carga positiva difusa por un pequeño núcleo positivo y electrones circundantes. Bohr sugirió luego que los electrones ocupan distancias/niveles de energía específicos, consistentes con las observaciones. Trabajos posteriores identificaron protones como unidades de carga nuclear positiva. Las evidencias de Chadwick establecieron neutrones en el núcleo unos veinte años después de que el modelo nuclear fuera aceptado. No se requiere conocer detalladamente el equipo experimental de Bohr/Chadwick.

Explicación trabajada: “Algunas partículas rebotaron, así que todo el átomo es sólido” contradice la observación de que la mayoría atravesó. La evidencia combinada requiere un pequeño núcleo denso dentro de un átomo mayoritariamente vacío. Un modelo debe explicar el patrón completo, no solo una observación seleccionada.

El número atómico Z es el número de protones e identifica al elemento. Todos los átomos de ese elemento tienen el mismo Z. El número másico A es protones + neutrones. Un átomo neutro tiene igual número de protones y electrones, por lo que sus cargas se cancelan. Un ion se forma cambiando electrones; cambiar el número de protones alteraría el elemento.

Conteo de partículas trabajado: un átomo de cloro-37 tiene Z = 17. Protones = 17; neutrones = 37 − 17 = 20; electrones = 17. Cl⁻ ha ganado un electrón, dando 18 electrones mientras que protones/neutrones permanecen 17/20. Para calcio-40, Z = 20: Ca²⁺ tiene 20 protones, 20 neutrones y 18 electrones.

Isótopos son átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones. Cloro-35 y cloro-37 ambos tienen 17 protones, pero 18 y 20 neutrones respectivamente. Permanecen siendo cloro; diferente número másico no significa diferente elemento.

El radio típico de un átomo es aproximadamente 0.1 nm = 1 × 10⁻¹⁰ m; 1 nm = 10⁻⁹ m. El radio del núcleo es menos de una diez milésima parte del radio del átomo, del orden de 10⁻¹⁴ m. Casi toda la masa está en el núcleo. Estas son escalas aproximadas, no dimensiones exactas de cada átomo.

Ejemplo resuelto de escala: si el radio de un átomo se ampliara a 1 m, un núcleo con una décima parte del tamaño tendría un radio de 1/10 000 m = 0.0001 m = 0.1 mm. El núcleo especificado es más pequeño que esa proporción. Compare radios con radios; el diámetro de un átomo es el doble de su radio. Átomos de diámetro aproximadamente 2 × 10⁻¹⁰ m ocuparían unos 5 × 10⁶ en una línea de 1 mm, ignorando los espacios: (1 × 10⁻³)/(2 × 10⁻¹⁰).

Masa atómica relativa Aᵣ es una media ponderada por abundancia, sin unidades. No necesariamente es un número entero. Utilice las abundancias porcentuales, no un promedio sin ponderar:

Media resuelta: Cloro-35 al 75% y Cloro-37 al 25% dan (35 × 75 + 37 × 25)/100 = (2625 + 925)/100 = 35.5. Esto está más cerca de 35 porque ese isótopo es más abundante; se encuentra entre 35 y 37. Ningún átomo individual tiene "35.5 neutrones" ni un número másico de 35.5.

Un electrón de capa externa se encuentra en la capa ocupada más alta de un átomo y ayuda a determinar sus reacciones químicas.

Los electrones ocupan primero los niveles de energía disponibles más bajos. Para los primeros veinte átomos neutrales, utilice el modelo de capas GCSE: primera capa hasta 2, segunda hasta 8, luego 8 antes de que comience la cuarta. Este es el modelo limitado requerido, no una regla universal para todos los elementos.

Ejemplo resuelto de disposición: el calcio tiene Z = 20 y, por lo tanto, 20 electrones. Coloque 2 en la primera capa, 8 en la segunda, 8 en la tercera y 2 en la cuarta: 2,8,8,2. Un diagrama debe mostrar esas cuatro capas y el mismo número total de electrones. El cloro es 2,8,7, con tres capas ocupadas y siete electrones externos.

La tabla periódica moderna ordena los elementos según el número de protones. Un período es una fila; el número de capas ocupadas determina el período. Un grupo es una columna que contiene elementos con propiedades químicas relacionadas. Para los Grupos Principales 1–7, el número de grupo indica el número de electrones externos. El Grupo 0 tiene una capa externa completa: el helio tiene dos electrones, mientras que los demás gases nobles en este modelo tienen ocho. Esta excepción impide tratar a cada miembro del grupo como si tuviera el mismo recuento de electrones.

Ejemplo resuelto: un elemento desconocido de los primeros veintiún tiene 2,8,1. Tiene 11 electrones/protones, por lo que es sodio, en el Período 3 y Grupo 1. Su único electrón externo ayuda a predecir la formación de un ion +1 y reacciones similares al litio/potasio. Un elemento con 2,8,7 tiende a ganar un electrón en reacciones iónicas. La posición apoya las predicciones; no sustituye la evidencia de reacción.

Las primeras tablas utilizaban peso atómico creciente antes de conocerse las partículas subatómicas. Eran incompletas y el estricto ordenamiento por masa colocaba algunos elementos con vecinos distintos. Mendeleev dejó espacios para elementos descubiertos posteriormente y a veces alteró el orden de masas para mantener juntas propiedades similares. Predijo las propiedades de los elementos faltantes; los descubrimientos posteriores que coincidieron con esas predicciones apoyaron su organización. El conocimiento de los isótopos explicó por qué el orden de peso atómico promedio no siempre coincidía con la identidad del elemento. El ordenamiento moderno utiliza el número de protones.

Ejemplo resuelto de juicio de evidencia: encontrar un elemento con las propiedades predichas en un espacio vacío apoya la tabla con mayor fuerza que simplemente encontrar cualquier nuevo elemento. Una predicción fallida provocaría una revisión de la organización. Dejar espacios fue una propuesta verificable, no una prueba por sí misma.

Los metales, principalmente hacia la izquierda/inferior, forman iones positivos en reacciones al perder electrones. Los no metales, principalmente hacia la derecha/superior, no suelen formar iones positivos; pueden ganar electrones o compartirlos en enlaces covalentes. La mayoría de los elementos son metales. Los metales típicamente conducen calor/electricidad, son brillantes y pueden doblarse o moldearse; los no metales sólidos suelen ser quebradizos y malos conductores. Estas son patrones característicos con excepciones, como el grafito conductor, no definiciones sin excepciones.

Gases nobles son inertes y no forman moléculas fácilmente porque sus átomos tienen capas externas estables completas. Son monoatómicos. Sus puntos de ebullición aumentan hacia abajo en el Grupo 0 conforme aumenta la masa atómica relativa. Utilice los datos de tendencia proporcionados para predecir un valor intermedio o si un miembro posterior hierve a mayor temperatura; no afirme valores exactos sin datos.

Metales alcalinos en el Grupo 1 tienen un electrón externo y forman iones +1. El litio, sodio y potasio reaccionan con oxígeno para formar óxidos, con cloro para formar cloruros, y con agua para formar hidróxido metálico e hidrógeno. En el modelo escolar: 4Li + O₂ → 2Li₂O; 2Na + Cl₂ → 2NaCl; 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂. No asuma que todo producto de oxígeno bajo cada condición tenga la misma fórmula; use las fórmulas proporcionadas al balancear.

Con agua, el litio burbujea y se mueve lentamente; el sodio reacciona más rápido y a menudo se funde en una bola móvil; el potasio reacciona aún más vigorosamente e puede encenderse con una llama lila. Estas son observaciones de demostraciones supervisadas. La reactividad aumenta hacia abajo del grupo: más capas ocupadas sitúan al electrón externo más lejos del núcleo con mayor apantallamiento, por lo que se pierde más fácilmente a pesar de la mayor carga nuclear.

Halógenos en el Grupo 7 tienen siete electrones externos y forman moléculas diatómicas: Cl₂, Br₂ e I₂. A temperatura ambiente, el cloro es un gas verde pálido, el bromo un líquido rojo-marrón y el yodo un sólido gris-negro. La masa molecular relativa, punto de fusión y punto de ebullición aumentan hacia abajo del grupo. La reactividad disminuye: la región externa está más lejos del núcleo y mejor apantallada, por lo que la atracción hacia un electrón entrante es menor.

Los halógenos forman haluros iónicos con metales, como NaCl, y compuestos covalentes con no metales, como HCl. No se debe afirmar que todos los compuestos de halógenos contienen enlaces iónicos. Desplazamiento ocurre cuando un halógeno más reactivo reemplaza a uno menos reactivo en una solución acuosa de haluro.

Ejemplo resuelto de desplazamiento: el cloro añadido al bromuro de potasio produce bromo, dando una solución naranja/marrón: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. El cloro gana electrones de los iones bromuro. El bromo no desplaza a los iones cloruro porque es menos reactivo. Por tanto, un resultado de "sin reacción" puede ayudar a establecer un orden de reactividad. Para Nivel Superior: Cl₂ + 2e⁻ → 2Cl⁻; 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻; neto Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. Los átomos y la carga se conservan.

Utilice cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre como ejemplos de metales de transición. En comparación con los metales del Grupo 1, típicamente tienen puntos de fusión y densidades más altos, mayor resistencia/dureza, y menor reactividad con oxígeno, agua y halógenos. El cobre no reacciona con agua fría como lo hace el sodio. Compare ejemplos nombrados y condiciones en lugar de asumir que todos los metales se comportan idénticamente.

Muchos elementos de transición forman iones con diferentes cargas y compuestos coloreados, y actúan como catalizadores. El hierro forma Fe²⁺ y Fe³⁺; las sales acuosas de hierro(II) pueden ser verde pálido y las de hierro(III) amarillo/marrón. Las sales acuosas de cobre(II) suelen ser azules. El color depende del compuesto/condiciones: no todo compuesto de un elemento tiene un color fijo. El hierro es el catalizador del proceso Haber; el níquel cataliza la hidrogenación. Estos ejemplos ilustran propiedades típicas, no propiedades de cada posible compuesto de transición.

Enlace de fórmula resuelto: sulfato es SO₄²⁻. Fe²⁺ da FeSO₄; Fe³⁺ requiere dos iones de hierro y tres iones sulfato, dando Fe₂(SO₄)₃. Las cargas se equilibran a cero en ambos compuestos. Diferentes proporciones/cargas de hierro significan compuestos distintos a pesar de los mismos tres nombres de elementos.

• Elija una separación basada en propiedades de componentes y el producto requerido; explique qué sucede en cada etapa.
• Vincule observaciones de dispersión alfa al modelo nuclear, en lugar de memorizar solo una línea temporal.
• Cuente partículas en átomos e iones; calcule una media ponderada; distinga radio, diámetro y escala.
• Represente las configuraciones electrónicas de los primeros veinte elementos tanto en números como en diagramas de capas, luego prediga su posición periódica.
• Utilice evidencia para explicar tendencias grupales y desplazamientos; compare propiedades nombradas de metales de transición con el Grupo 1.