Materia y Electricidad

Seguro que en alguna ocasión has jugado a atraer papelitos después de frotar un bolígrafo con tu jersey de lana. Y, además, te has dado cuenta de que cuando pasas repetidas veces un cepillo de plástico por tu pelo, acaba atrapándolo al acercarlo sobre él. Son fenómenos de electrización. Esas experiencias, y muchas más similares, te hacen pensar que la materia está cargada eléctricamente, y que es posible ponerlo de manifiesto de diferentes formas.

El Átomo y sus Partículas

Aunque la materia muestra fenómenos eléctricos, se presenta neutra, y así se comporta cuando tocamos un trozo de madera, plástico u otra sustancia.

El Descubrimiento de las Partículas

• Electrón (e-): La primera partícula en descubrirse fue el electrón, en 1897, por J. J. Thompson. Su masa es muy pequeña: 9,11 * 10^-31 kg. ¡Imagínate lo pequeña que es una cantidad de cero seguido de treinta ceros más, y luego el 9! Su carga es negativa y la más pequeña conocida hasta entonces. Se la considera la carga unidad.
• Protón (p+): Unos años después, en 1911, Ernest Rutherford descubrió el protón. Su carga es igual que la del electrón, pero positiva. Su masa es mucho mayor, casi dos mil veces más. Se la considera la masa unidad en el átomo.
• Neutrón (n⁰): Posteriormente, en 1932, James Chadwick descubrió que todavía existía otro tipo de partículas en el átomo que no tenían carga y cuya masa era prácticamente la misma que la del protón, por todo ello la llamó neutrón.

La materia es neutra porque los átomos que la forman tienen la misma cantidad de cargas positivas que de negativas.

El Angstrom (Å) es una unidad de longitud empleada principalmente para expresar distancias moleculares y atómicas. Su equivalencia es: 1 Å = 10^-10 m.

Modelo Atómico de Rutherford

La materia debe estar prácticamente hueca, pues la mayor parte de las partículas la atraviesan sin desviarse. Si algunas rebotan es que en su camino se encuentran otras de la misma carga que las repelen. Ya que esto ocurre muy raramente (una de cada 10000 ocasiones), es preciso que dichas cargas positivas ocupen un espacio muy pequeño en el interior del átomo. A dicho espacio lo denominó núcleo, y contenía la práctica totalidad de la masa del átomo. Las desviaciones deben ocurrir al encontrar cerca de su trayectoria partículas de carga opuesta que las atraigan, cambiando su trayectoria. A esa zona la denominó corteza electrónica.

De esta manera, Rutherford imaginó para el átomo un modelo planetario, donde el núcleo positivo de protones ocuparía la parte central y la corteza negativa de electrones giraría en torno a él, de modo similar al movimiento de los planetas alrededor del Sol.

Estabilidad del Átomo

Sabemos que los protones tienen carga positiva, así que se repelerán entre sí. Ello produciría la destrucción del núcleo del átomo, y del átomo en sí mismo. Esto no ocurre, ya que los átomos son estables. Por tanto, algo lo debe impedir. Los responsables son los neutrones, que se colocan en el núcleo como barrera entre los protones, aglutinándolos e impidiéndoles así que se repelan entre sí, con lo que el núcleo es estable.

Los electrones están en la corteza moviéndose alrededor del núcleo, de manera que si estuvieran quietos caerían sobre él por mera atracción eléctrica, lo que destruiría el átomo. Esto no ocurre, así que los electrones deben moverse, girando alrededor del núcleo, para contrarrestar así la fuerza de atracción, tal como ocurre con los planetas rotando alrededor del Sol.

En cada órbita cabe una cantidad distinta de electrones, más cuanto más grandes sean las órbitas, lo que ocurre a medida que nos alejamos del núcleo.

• Órbita:
• Primera (la más cercana): Hasta 2 e-
• Segunda: Hasta 8 e-
• Tercera: Hasta 18 e-
• n: Hasta 2n^2 e-.

Los Elementos Químicos

Todos los átomos que presentan las mismas propiedades representan un elemento químico concreto. Cada elemento químico está formado por un determinado tipo de átomos. Un elemento químico no puede descomponerse en sustancias más simples sin perder sus propiedades físicas y químicas (color, densidad, etc.).

Número Atómico y Número Másico

El oro tiene un color determinado y es moldeable, el carbono tiene diferente color… el número de protones es como la huella dactilar de cada elemento, lo hace único e identificable. El elemento que tiene 13 protones tiene propiedades diferentes a las de otro que tiene 47 y diferentes a las del elemento con 80… Por ello, el primero es aluminio; el segundo, plata, y el tercero, mercurio.

Un elemento se identifica por el número de protones que hay en su núcleo, lo que se denomina número atómico, y se simboliza por la letra Z. Se representa por un número situado como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Por ejemplo: ₇N, ₉F, ₁₇Cl, ₂₆Fe.

Si el átomo es eléctricamente neutro, el número de e- coincide con el de p+.

La suma de protones y neutrones del átomo es lo que se llama número másico, y se simboliza por la letra A.

Un elemento químico se identifica con todos los átomos que tengan un determinado número de protones, es decir, un mismo número atómico (Z). El número de electrones puede variar, siendo el mismo para átomos neutros y distinto para iones.

• Z = número de protones (p+).
• Z = número de electrones (e-) (si el átomo es neutro).
• A = número de protones (p+) + número de neutrones (n⁰).

Iones

Ya sabemos que cuando en un átomo el número de protones y el de electrones coinciden, el átomo es neutro. Pero, en algunos procesos, los átomos de elementos pueden aceptar o ceder electrones entre ellos, con lo que, al final, adquieren carga eléctrica, es decir, dejan de ser neutros. Si un átomo gana electrones tiene exceso de carga negativa, y si los pierde, el exceso es de carga positiva. Los átomos con carga son iones.

Isótopos

Dos átomos con el mismo número de protones y distinto número de neutrones, ¿son el mismo elemento? Sí. Son el mismo elemento pero en dos versiones diferentes. Los átomos de un mismo elemento pueden tener diferente tipo de neutrones en el núcleo. Es decir, tendrán diferente número másico. Por ejemplo, existen átomos de carbono (Z = 6) con números másicos 12, 13 y 14 que contienen 6, 7 y 8 neutrones, respectivamente.

Los isótopos son los átomos de un mismo elemento que tienen diferente número de neutrones.

Ejemplo de isótopos del elemento hidrógeno: sin neutrones (protio), con 1 neutrón (deuterio) y con 2 neutrones (tritio).

También hay isótopos artificiales, preparados en laboratorio, aumentando el número de neutrones al bombardear sus núcleos con partículas con neutrones. Muchos isótopos son inestables y se desintegran fácilmente, emitiendo partículas con cierta energía que pueden detectarse mediante el empleo de aparatos adecuados.

Masas Atómicas de los Elementos

Ya sabes que los átomos son muy pequeños, y que los elementos se transforman unos en otros más complejos como protones, neutrones y electrones en la corteza. También sabes que la masa del átomo es prácticamente la de sus protones y neutrones, lo que viene representado por su número másico A. Si conocemos la masa del átomo más sencillo, el que tiene número másico 1, la de los demás átomos se obtendrá fácilmente por comparación con él. Ese elemento es el hidrógeno. Como deducirás fácilmente, doce átomos de hidrógeno equilibran a un átomo de carbono. Igualmente, el átomo de sodio con 23 veces más masa que el del hidrógeno, tiene una masa de 23 u, el del oro 197 veces más masa, 197 u, etc.

La IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) estableció en 1961 que la unidad patrón de medida la masa con la que se hace la comparación sea la octava parte de la masa del átomo de carbono de número másico 12.

Metales y No Metales

La materia se agrupa en dos tipos de sustancias, los metales y los no metales, que tienen propiedades diferentes. Vamos a aprender a diferenciar unos de otros.

Consigue: un clavo de hierro, un hilo de cobre, fósforo de una cerilla, papel de aluminio, un anillo de oro, un pedazo de carbón, un broche de plata y un trozo de azufre. Sepáralos en dos grupos según dos de sus propiedades: brillo y conductividad.

En función de sus propiedades, los agruparemos en:

• Un primer grupo: clavo de hierro, hilo de cobre, papel de aluminio, anillo de oro y broche de plata. Agrupa a los elementos metálicos.
• Un segundo grupo: fósforo de una cerilla, pedazo de carbón y trozo de azufre. Agrupa a los elementos no metálicos.