2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
En el siguiente dibujo, las esferas verdes representan átomos de un determinado elemento. Las esferas moradas representan átomos de otro elemento. Si las esferas de diferentes elementos se tocan, forman parte de una sola unidad de un compuesto. El siguiente cambio químico representado por estas esferas puede violar una de las ideas de la teoría atómica de Dalton. ¿Cuál?
¿Qué postulado de la teoría de Dalton es coherente con la siguiente observación relativa a los pesos de los reactivos y los productos? Cuando se calientan 100 gramos de carbonato de calcio sólido, se producen 44 gramos de dióxido de carbono y 56 gramos de óxido de calcio.
Identifique qué postulado de la teoría de Dalton es violado por las siguientes observaciones: 59,95 % de una muestra de dióxido de titanio es titanio; el 60,10 % de otra muestra de dióxido de titanio es titanio.
Se analizan muestras del compuesto X, Y y Z, y los resultados se muestran aquí.
Compuesto | Descripción | Masa de carbono | Masa de hidrógeno |
---|---|---|---|
X | líquido claro, incoloro, con fuerte olor | 1,776 g | 0,148 g |
Y | líquido claro, incoloro, con fuerte olor | 1,974 g | 0,329 g |
Z | líquido claro, incoloro, con fuerte olor | 7,812 g | 0,651 g |
¿Proporcionan estos datos ejemplos de la ley de las proporciones definidas, de la ley de las proporciones múltiples, de ninguna de ellas o de ambas? ¿Qué le dicen estos datos sobre los compuestos X, Y y Z?
2.2 Evolución de la teoría atómica
La existencia de isótopos viola una de las ideas originales de la teoría atómica de Dalton. ¿Cuál?
¿En qué se parecen los electrones y los protones? ¿En qué se diferencian?
Predecir y probar el comportamiento de las partículas α disparadas a un átomo modelo "pudín de pasas".
(a) Prediga las trayectorias que siguen las partículas α que se disparan a los átomos con una estructura del modelo del pudín de pasas de Thomson. Explique por qué espera que las partículas α tomen estas trayectorias.
(b) Si se disparan partículas α de mayor energía que las de (a) a los átomos de pudín de pasas, prediga en qué se diferenciarán sus trayectorias de las de las partículas α de menor energía. Explique su razonamiento.
(c) Compruebe ahora sus predicciones de (a) y (b). Abra la simulación de dispersión de Rutherford y seleccione la pestaña “Plum Pudding Atom” ("Átomo de pudín de pasas"). Ajuste la “Alpha Particles Energy” ("Energía de las partículas alfa") en "min", y seleccione “show traces” (“mostrar la trayectoria"). Haga clic en el cañón para empezar a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (a)? Si no es así, explique por qué la trayectoria real sería la que se muestra en la simulación. Pulse el botón de pausa o “Reset All” (Reiniciar todo). Ajuste “Alpha Particles Energy” ("Energía de las partículas alfa") en "max", y empiece a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (b)? Si no es así, explique el efecto del aumento de la energía en las trayectorias reales que se muestran en la simulación.
Predecir y probar el comportamiento de las partículas α disparadas en un modelo de átomo de Rutherford.
(a) Prediga las trayectorias que siguen las partículas α que se disparan a los átomos con una estructura de modelo de átomo de Rutherford. Explique por qué espera que las partículas α tomen estas trayectorias.
(b) Si se disparan partículas α de mayor energía que las de (a) a los átomos de Rutherford, prediga en qué se diferenciarán sus trayectorias de las de las partículas α de menor energía. Explique su razonamiento.
(c) Prediga cómo diferirán las trayectorias que siguen las partículas α si se disparan contra átomos de Rutherford de elementos distintos del oro. ¿Qué factor espera que cause esta diferencia en las trayectorias, y por qué?
(d) Compruebe ahora sus predicciones de (a), (b) y (c). Abra la simulación de dispersión Rutherford y seleccione la pestaña “Rutherford Atom” ("Átomo Rutherford"). Debido a la escala de la simulación, es mejor empezar con un núcleo pequeño, así que seleccione "20" tanto para los protones como para los neutrones, "min" para la energía, “show traces” (“mostrar la trayectoria”) y luego empiece a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (a)? Si no es así, explique por qué la trayectoria real sería la que se muestra en la simulación. Pause o reinicie, ajuste la energía al "máx" y comience a disparar partículas α. ¿Coincide esto con su predicción de (b)? Si no es así, explique el efecto del aumento de la energía en la trayectoria real tal y como se muestra en la simulación. Pause o reinicie, seleccione "40" para protones y neutrones, "min" para la energía, “show traces” (“mostrar la trayectoria”) y dispare. ¿Coincide esto con su predicción de (c)? Si no es así, explique por qué la trayectoria real sería la que se muestra en la simulación. Repita esta operación con un número mayor de protones y neutrones. ¿Qué generalización puede hacer con respecto al tipo de átomo y el efecto en la trayectoria de las partículas α? Sea claro y específico.
2.3 Estructura atómica y simbolismo
¿En qué sentido son siempre diferentes los isótopos de un mismo elemento? ¿En qué sentido son siempre iguales?
Escriba el símbolo de cada uno de los siguientes iones:
(a) el ion con carga 1+, número atómico 55 y número de masa 133
(b) el ion con 54 electrones, 53 protones y 74 neutrones
(c) el ion de número atómico 15, número de masa 31 y carga 3−
(d) el ion con 24 electrones, 30 neutrones y una carga 3+
Escriba el símbolo de cada uno de los siguientes iones:
(a) el ion con carga 3+, 28 electrones y un número de masa de 71
(b) el ion con 36 electrones, 35 protones y 45 neutrones
(c) el ion con 86 electrones, 142 neutrones y una carga 4+
(d) el ion con carga 2+, número atómico 38 y número de masa 87
Abra la simulación de Construir un átomo y haga clic en el ícono del átomo.
(a) Escoja uno de los 10 primeros elementos que le gustaría construir e indique su símbolo.
(b) Arrastre protones, neutrones y electrones a la plantilla del átomo para formar un átomo de su elemento.
Indique el número de protones, neutrones y electrones de su átomo, así como la carga neta y el número de masa.
(c) Haga clic en "Carga neta" y "Número de masa", compruebe sus respuestas a la (b) y corríjalas, si es necesario.
(d) Prediga si su átomo será estable o inestable. Explique su razonamiento.
(e) Marque la casilla “Estable/Inestable". ¿Su respuesta de la letra (d) era correcta? Si no es así, primero prediga lo que puede hacer para crear un átomo estable de su elemento, y luego constrúyalo y revise si funciona. Explique su razonamiento.
Abra la simulación de Construir un átomo.
(a) Arrastre protones, neutrones y electrones a la plantilla de átomos para hacer un átomo neutro de Oxígeno-16 y escriba el símbolo del isótopo para este átomo.
(b) Añada ahora dos electrones más para formar un ion y escriba el símbolo del ion que ha creado.
Abra la simulación de Construir un átomo.
(a) Arrastre protones, neutrones y electrones a la plantilla del átomo para formar un átomo neutro de Litio-6 y escriba el símbolo del isótopo para este átomo.
(b) Ahora elimine un electrón para formar un ion y escriba el símbolo del ion que ha creado.
Determine el número de protones, neutrones y electrones en los siguientes isótopos que se utilizan en los diagnósticos médicos:
(a) número atómico 9, número de masa 18, carga de 1-
(b) número atómico 43, número de masa 99, carga de 7+
(c) número atómico 53, número de masa atómica 131, carga de 1-
(d) número atómico 81, número de masa atómica 201, carga de 1+
(e) Nombre los elementos de las partes (a), (b), (c) y (d).
A continuación, se presentan las propiedades de los isótopos de dos elementos esenciales en nuestra dieta. Determine el número de protones, neutrones y electrones de cada uno y nómbrelos.
(a) número atómico 26, número de masa 58, carga de 2+
(b) número atómico 53, número de masa 127, carga de 1-
Indique el número de protones, electrones y neutrones en los átomos neutros de cada uno de los siguientes isótopos:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Indique el número de protones, electrones y neutrones en los átomos neutros de cada uno de los siguientes isótopos:
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Haga clic en el sitio y seleccione la pestaña “Mix Isotopes” (Mezcla de isótopos), oculte las casillas “Percent Composition” (Composición porcentual) y “Average Atomic Mass” (Masa atómica promedio) y luego seleccione el elemento boro.
(a) Escriba los símbolos de los isótopos del boro que se muestran como naturales en cantidades significativas.
(b) Prediga las cantidades relativas (porcentajes) de estos isótopos de boro que se encuentran en la naturaleza. Explique los motivos de su elección.
(c) Añada isótopos a la caja negra para hacer una mezcla que coincida con su predicción en (b). Puede arrastrar los isótopos desde sus bandejas o hacer clic en "Más" y luego mover los deslizadores a las cantidades adecuadas.
(d) Revele las casillas "Composición porcentual" y "Masa atómica promedio". ¿En qué medida coincide su mezcla con su predicción? Si es necesario, ajuste las cantidades de isótopos para que coincidan con su predicción.
(e) Seleccione la mezcla de isótopos de la "Naturaleza" y compárela con su predicción. ¿Qué tan bien se compara su predicción con la mezcla que se produce de forma natural? Explique. Si es necesario, ajuste sus cantidades para que se parezcan lo más posible a las de la "Naturaleza".
Un elemento tiene las siguientes abundancias naturales y masas isotópicas: 90.92 % de abundancia con 19,99 u, 0,26 % de abundancia con 20,99 u y 8,82 % de abundancia con 21,99 u. Calcule la masa atómica promedio de este elemento.
Las masas atómicas promedio indicadas por la IUPAC se basan en un estudio de resultados experimentales. El bromo tiene dos isótopos, 79Br y 81Br, cuyas masas (78,9183 y 80,9163 u, respectivamente) y abundancias (50,69 % y 49,31 %, respectivamente) se determinaron en experimentos anteriores. Calcule la masa atómica promedio del bromo a partir de estos experimentos.
Se pueden observar variaciones en la masa atómica promedio de los elementos obtenidos de diferentes fuentes. El litio es un ejemplo de ello. La composición isotópica del litio de los minerales naturales es del 7,5 % de 6Li y del 92,5 % de 7Li, que tienen masas de 6,01512 u y 7,01600 u, respectivamente. Una fuente comercial de litio, reciclada de una fuente militar, tenía un 3,75 % de 6Li (y el resto de 7Li). Calcule los valores medios de masa atómica para cada una de estas dos fuentes.
Las masas atómicas promedio de algunos elementos pueden variar, dependiendo de las fuentes de sus minerales. El boro natural consta de dos isótopos con masas conocidas con exactitud ((10B, 10,0129 u y 11B, 11,00931 u). La masa atómica real del boro puede variar entre 10,807 y 10,819, dependiendo de si la fuente mineral es de Turquía o de los Estados Unidos. Calcule las abundancias porcentuales que conducen a los dos valores de las masas atómicas promedio del boro de estos dos países.
La relación de abundancia 18O:16O en algunos meteoritos es mayor que la utilizada para calcular la masa atómica promedio del oxígeno en la Tierra. ¿La masa media de un átomo de oxígeno en estos meteoritos es mayor, menor o igual que la de un átomo de oxígeno terrestre?
2.4 Fórmulas químicas
Explique por qué difieren el símbolo de un átomo del elemento oxígeno y la fórmula de una molécula de oxígeno.
Explique por qué difieren el símbolo del elemento azufre y la fórmula de una molécula de azufre.
Escriba las fórmulas moleculares y empíricas de los siguientes compuestos:
(a)
(b)
(c)
(d)
Determine las fórmulas empíricas de los siguientes compuestos:
(a) cafeína, C8H10N4O2
(b) sacarosa, C12H22O11
(c) peróxido de hidrógeno, H2O2
(d) glucosa, C6H12O6
(e) ácido ascórbico (vitamina C), C6H8O6
Determine las fórmulas empíricas de los siguientes compuestos:
(a) ácido acético, C2H4O2
(b) ácido cítrico, C6H8O7
(c) hidracina, N2H4
(d) nicotina, C10H14N2
(e) butano, C4H10
Abra la simulación “Build a Molecule” (Construir una molécula) y seleccione la pestaña “Larger Molecules” (Moléculas más grandes). Seleccione el "Kit" de un átomo apropiado para construir una molécula con dos átomos de carbono y seis de hidrógeno. Arrastre los átomos al espacio sobre el "Kit" para hacer una molécula. Un nombre aparecerá cuando haya hecho una molécula real que exista (aunque no sea la que quiere). Puede utilizar la herramienta de tijera para separar los átomos si quiere cambiar las conexiones. Presione en “3D” para ver la molécula y observe las posibilidades de rellenar el espacio y de esfera y barra.
(a) Dibuje la fórmula estructural de esta molécula e indique su nombre.
(b) ¿Puede ordenar estos átomos de alguna manera para hacer un compuesto diferente?
Utilice la simulación de Construir una molécula para repetir Ejercicio 2.34, pero construya una molécula con dos carbonos, seis hidrógenos y un oxígeno.
(a) Dibuje la fórmula estructural de esta molécula e indique su nombre.
(b) ¿Puede ordenar estos átomos para formar una molécula diferente? Si es así, dibuje su fórmula estructural e indique su nombre.
(c) ¿En qué coinciden las moléculas dibujadas en (a) y (b)? ¿En qué se diferencian? ¿Cómo se llaman (el tipo de relación entre estas moléculas, no sus nombres)?
Utilice la simulación de Construir una molécula para repetir el Ejercicio 2.34, pero construya una molécula con tres carbonos, siete hidrógenos y un cloro.
(a) Dibuje la fórmula estructural de esta molécula e indique su nombre.
(b) ¿Puede ordenar estos átomos para formar una molécula diferente? Si es así, dibuje su fórmula estructural e indique su nombre.
(c) ¿En qué coinciden las moléculas dibujadas en (a) y (b)? ¿En qué se diferencian? ¿Cómo se llaman (el tipo de relación entre estas moléculas, no sus nombres)?
2.5 La tabla periódica
Según la tabla periódica, clasifique cada uno de los siguientes elementos como metal o no metal, y luego clasifique cada uno como elemento del grupo principal (representativo), metal de transición o metal de transición interna:
(a) uranio
(b) bromo
(c) estroncio
(d) neón
(e) oro
(f) americio
(g) rodio
(h) azufre
(i) carbono
(j) potasio
Según la tabla periódica, clasifique cada uno de los siguientes elementos como metal o no metal, y luego clasifique cada uno como elemento del grupo principal (representativo), metal de transición o metal de transición interna:
(a) cobalto
(b) europio
(c) yodo
(d) indio
(e) litio
(f) oxígeno
(g) cadmio
(h) terbio
(i) renio
Según la tabla periódica, identifique el miembro más ligero de cada uno de los siguientes grupos:
(a) gases nobles
(b) metales alcalinotérreos
(c) metales alcalinos
(d) calcógenos
Según la tabla periódica, identifique el miembro más pesado de cada uno de los siguientes grupos:
(a) metales alcalinos
(b) calcógenos
(c) gases nobles
(d) metales alcalinotérreos
Utilice la tabla periódica para dar el nombre y el símbolo de cada uno de los siguientes elementos:
(a) el gas noble en el mismo periodo que el germanio
(b) el metal alcalinotérreo en el mismo periodo que el selenio
(c) el halógeno en el mismo periodo que el litio
(d) el calcógeno en el mismo periodo que el cadmio
Utilice la tabla periódica para dar el nombre y el símbolo de cada uno de los siguientes elementos:
(a) el halógeno en el mismo periodo que el metal alcalino con 11 protones
(b) el metal alcalinotérreo en el mismo periodo con el gas noble neutro con 18 electrones
(c) el gas noble de la misma fila que un isótopo con 30 neutrones y 25 protones
(d) el gas noble en el mismo periodo que el oro
Escriba un símbolo para cada uno de los siguientes isótopos neutros. Incluya el número atómico y el número de masa de cada uno.
(a) el metal alcalino con 11 protones y un número de masa de 23
(b) el elemento de gas noble con 75 neutrones en su núcleo y 54 electrones en el átomo neutro
(c) el isótopo con 33 protones y 40 neutrones en su núcleo
(d) el metal alcalinotérreo con 88 electrones y 138 neutrones
Escriba un símbolo para cada uno de los siguientes isótopos neutros. Incluya el número atómico y el número de masa de cada uno.
(a) el calcógeno con un número de masa de 125
(b) el halógeno cuyo isótopo más longevo es radiactivo
(c) el gas noble, utilizado en la iluminación, con 10 electrones y 10 neutrones
(d) el metal alcalino más ligero con tres neutrones
2.6 Compuestos iónicos y moleculares
Según la tabla periódica, prediga si los siguientes cloruros son iónicos o covalentes: KCl, NCl3, ICl, MgCl2, PCl5, y CCl4.
Según la tabla periódica, prediga si los siguientes cloruros son iónicos o covalentes: SiCl4, PCl3, CaCl2, CsCl, CuCl2, y CrCl3.
Para cada uno de los siguientes compuestos, indique si es iónico o covalente. Si es iónico, escriba los símbolos de los iones implicados:
(a) NF3
(b) BaO
(c) (NH4)2CO3
(d) Sr(H2PO4)2
(e) IBr
(f) Na2O
Para cada uno de los siguientes compuestos, indique si es iónico o covalente, y si es iónico, escriba los símbolos de los iones implicados:
(a) KClO4
(b) Mg(C2H3O2)2
(c) H2S
(d) Ag2S
(e) N2Cl4
(f) Co(NO3)2
Para cada uno de los siguientes pares de iones, escriba la fórmula del compuesto que formarán:
(a) Ca2+, S2-
(b)
(c) Al3+, Br-
(d) Na+,
(e) Mg2+,
Para cada uno de los siguientes pares de iones, escriba la fórmula del compuesto que formarán:
(a) K+, O2-
(b)
(c) Al3+, O2-
(d) Na+,
(e) Ba2+,
2.7 Nomenclatura química
Nombre los siguientes compuestos:
(a) NaF
(b) Rb2O
(c) BCl3
(d) H2Se
(e) P4O6
(f) ICl3
Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:
(a) bromuro de rubidio
(b) seleniuro de magnesio
(c) óxido de sodio
(d) cloruro de calcio
(e) fluoruro de hidrógeno
(f) fosfuro de galio
(g) bromuro de aluminio
(h) sulfato de amonio
Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:
(a) carbonato de litio
(b) perclorato de sodio
(c) hidróxido de bario
(d) carbonato de amonio
(e) ácido sulfúrico
(f) acetato de calcio
(g) fosfato de magnesio
(h) sulfito de sodio
Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:
(a) dióxido de cloro
(b) tetraóxido de dinitrógeno
(c) fosfuro de potasio
(d) sulfuro de plata(I)
(e) fluoruro de aluminio trihidratado
(f) dióxido de silicio
Escriba las fórmulas de los siguientes compuestos:
(a) cloruro de bario
(b) nitruro de magnesio
(c) dióxido de azufre
(d) tricloruro de nitrógeno
(e) trióxido de dinitrógeno
(f) cloruro de estaño(IV)
Cada uno de los siguientes compuestos contiene un metal que puede presentar más de una carga iónica. Nombre estos compuestos:
(a) Cr2O3
(b) FeCl2
(c) CrO3
(d) TiCl4
(e) CoCl2·6H2O
(f) MoS2
Cada uno de los siguientes compuestos contiene un metal que puede presentar más de una carga iónica. Nombre estos compuestos:
(a) NiCO3
(b) MoO3
(c) Co(NO3)2
(d) V2O5
(e) MnO2
(f) Fe2O3
Los siguientes compuestos iónicos se encuentran en productos domésticos comunes. Escriba las fórmulas de cada compuesto:
(a) fosfato de potasio
(b) sulfato de cobre(II)
(c) cloruro de calcio
(d) óxido de titanio(IV)
(e) nitrato de amonio
(f) bisulfato de sodio (nombre común del hidrogenosulfato de sodio)
Los siguientes compuestos iónicos se encuentran en productos domésticos comunes. Nombre cada uno de los compuestos:
(a) Ca(H2PO4)2
(b) FeSO4
(c) CaCO3
(d) MgO
(e) NaNO2
(f) KI
¿Cuáles son los nombres de la IUPAC de los siguientes compuestos?
(a) dióxido de manganeso
(b) cloruro de mercurio (Hg2Cl2)
(c) nitrato férrico [Fe(NO3)3]
(d) tetracloruro de titanio
(e) bromuro cúprico (CuBr2)