Tema 2 La materia: estructura, propiedades y reacciones químicas

Conocimiento de las Ciencias de la Naturaleza en Educación Primaria

Tema 2. La materia

Índice Esquema Ideas clave 2.1. Introducción y objetivos 2.2. Estructura de la materia 2.3. Sustancias puras y mezclas 2.4. Propiedades de la materia 2.5. Reacciones químicas 2.6. Química del carbono 2.7. Referencias bibliográficas

A fondo

El bosón de Higgs ¿Cómo son los átomos en realidad? ¿Qué es el carbono 14 y cómo se utiliza? Tabla periódica interactiva Test@ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR)

Tema 2. Esquema

Conocimiento de las Ciencias de la Naturaleza en Educación Primaria

LA MATERIA

• Número atómico
• Elementos de la tabla periódica
• Átomos
• Neutrón
• Número másico
• Isótopos
• Electrón
• Configuración electrónica
• lones
• Simples: átomos iguales Puras
• Compuestas: moléculas formadas por átomos distintos Sustancias
• Homogéneas: no se distinguen los componentes Mezclas
• Heterogéneas: se distinguen los componentes a simple vista
• Estados de agregación
• Sólido
• Liquido Materia
• Densidad
• Gaseoso
• Viscosidad
• Tensión superficial
• Reacciones químicas
• Endotérmicas
• Exotérmicas
• Química del carbono

3 Esquema Protón

Ideas clave

2.1. Introducción y objetivos

A pesar de que actualmente todo lo químico parece tener una connotación negativa, la realidad es que nuestro mundo, nuestro universo, es química pura. La química aparece en cada uno de los materiales que vemos a nuestro alrededor: los plásticos, los insecticidas y los fármacos son química, pero la fotosíntesis que permite a las plantas fijar la energía del Sol, el proceso de la visión e incluso sentimientos como el amor o el odio también son procesos con un importante componente químico.

Los objetivos en este tema son:

• Identificar la estructura de la materia partiendo de las partículas subatómicas que hasta ahora se han mostrado como las más sencillas, pasando por los átomos y moléculas hasta llegar a los diferentes tipos de mezclas.
• Interpretar las principales propiedades que manifiesta la materia.
• Diferenciar un tipo de sustancia de otra estudiando sus diferentes transformaciones en forma de reacciones químicas.
• Reconocer la importancia del carbono y su utilidad en la vida diaria.

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Ideas clave

2.2. Estructura de la materia

Toda la materia que podemos observar en el universo está constituida por átomos. Los átomos ya eran conocidos en la antigua Grecia, concretamente una corriente filosófica denominada atomismo, cuyo máximo representante fue Demócrito, que estableció el concepto de átomo («partícula sin división») puesto que para ellos era la partícula más pequeña que constituía cualquier material sin perder sus propiedades.

Por ejemplo, si elegimos el hierro para dividirlo, podríamos llegar a un átomo de hierro y seguiría teniendo el aspecto inicial: mismo brillo, color, etc. (aunque sería imposible verlo, ya que el tamaño de un átomo de hierro es minúsculo: 2,5-10-9 m), y, por lo tanto, ese átomo de hierro sería la partícula más pequeña que mantiene todas sus propiedades.

Pero si nos referimos a las partículas más pequeñas de la materia, o partículas elementales, nos estamos refiriendo a los electrones y los quarks, ya que podemos seguir dividiendo el átomo, aunque en este caso ya no se pudieran mantener las propiedades de la materia (como, por ejemplo, las propiedades del hierro), ya que se trata de partículas con otras características distintas.

Las experiencias llevadas a cabo por Thomson (descubridor del electrón), Chadwick (descubridor del neutrón), Goldstein o Rutherford (descubridores del protón), entre otros, permitieron deducir que, a pesar de su nombre, el átomo sí se podía dividir en partículas más sencillas:

• Los protones: partículas con carga positiva y localizadas en el núcleo del átomo.
• Los neutrones: partículas sin carga, localizadas también en el núcleo.

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Ideas clave

Los electrones: partículas con la misma carga que el protón, pero de signo contrario -carga negativa-, que se ubican en la corteza del átomo alrededor del núcleo.

Propiedades de las partículas subatómicas

Partícula Carga Localización Protón (p+) 1,6. 10-19C Núcleo Electrón (e-) -1,6. 10-19C Corteza Neutrón (n) Núcleo Tabla 1. Propiedades de las partículas subatómicas. Fuente: elaboración propia.

Para comprender mejor la estructura de un átomo se puede utilizar el modelo propuesto en 1911 por el científico Ernest Rutherford y compararlo con la imagen que tenemos del sistema solar donde el Sol está situado en el centro y son los planetas los que giran en torno a él. Lo mismo sucede con los átomos, los electrones situados en la corteza giran en torno al núcleo, dónde están situados los protones y neutrones.

Núcleo 0 + + 0 C electrón + protón neutrón Figura 1. Estructura del átomo según el modelo de Rutherford. Fuente: Portal educativo, s. f.

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Ideas clave

Para hacernos una idea de las dimensiones del átomo, si este fuera tan grande como un campo de fútbol, el núcleo sería una cabeza de alfiler situada en el centro del campo y girando a su alrededor en las diferentes gradas nos encontraríamos a los electrones.

Hoy en día, muchas personas siguen pensando que los protones, neutrones y electrones son las partículas más pequeñas que constituyen un átomo; sin embargo, se equivocan, ya que en 1963 el físico estadounidense Murray Gell-Mann descubrió que protones y neutrones estaban constituidos por unas partículas más pequeñas a las que denominó quark. Existen seis tipos fundamentales de quarks, denominados up (u), down (d), charm (c), strange (s), top (t) y bottom (b), aunque solo nos vamos a referir a los dos primeros, ya que formando protones y neutrones solo nos encontramos con el quark up y el quark down.

Estos, en concreto, son importantes, ya que dos quarks up se asocian con un quark down para formar un protón; mientras que dos quarks down se asocian con un quark up para formar el neutrón y, por lo tanto, podemos decir que, por ahora, las partículas más pequeñas que constituyen un átomo son los electrones y los quarks.

NEUTRÓN PROTÓN d UM u M d d Figura 2. Estructura del protón y del neutrón. Fuente: I-CPAN, 2012.

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Ideas clave

Número atómico y número másico

Los átomos de un mismo elemento químico se caracterizan porque tienen el mismo número de protones. Así, por ejemplo, todos los átomos que tengan seis protones en su núcleo serán átomos de carbono (C), los que tengan ocho protones en su núcleo serán átomos de oxígeno (O) y, si tienen siete, serán de nitrógeno (N); al número de protones de un átomo se le llama número atómico y se representa por la letra zeta. Existe otro número que permite caracterizar a los átomos, se denomina número másico (A) y representa la suma de protones y neutrones que tiene un átomo. Este número indica la masa del átomo, ya que los protones y neutrones tienen masa 1 u (unidad de masa atómica unificada). La masa de los electrones, el tercer constituyente del átomo, es tan pequeña que es despreciable y no se tiene en cuenta. El número atómico (Z) se sitúa en la parte inferior izquierda del símbolo del elemento químico, mientras que el número másico (A) se localiza en la parte superior izquierda.

12 X 7 A Z X Figura 3. Ubicación del número atómico (Z) y del número másico (A). Fuente: elaboración propia.

Conociendo el número atómico y el número másico podemos saber cuántos protones, neutrones y electrones contiene un átomo. Observando el valor de Z conoceremos el número de protones, a partir de A (suma de protones y neutrones), y una vez conocido el número de protones, podremos deducir los neutrones presentes en el núcleo del átomo. Por último, en un átomo neutro, sus partículas cargadas positivamente deben coincidir con las cargadas negativamente, por lo tanto, el número de protones debe ser igual al número de electrones.

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Ideas clave

Cálculo de partículas en átomos

Átomo Z A Nº protones Nº neutrones Nº electrones 35cl 17 35 17 18 17 2Be 4 9 4 5 4 30Z 30 65 30 35 30 Tabla 2. Cálculo del número de protones, neutrones y electrones que constituyen diferentes átomos. Fuente: elaboración propia.

No obstante, no todos los átomos de un elemento son neutros. Los átomos tienen tendencia a ganar y a perder electrones de su corteza -nunca protones-, lo que genera un desequilibrio entre el número de cargas negativas y positivas y, por tanto, provova que el átomo presente carga neta.

Los átomos de un elemento que como consecuencia de la pérdida o ganancia de electrones manifiesten carga neta, se denominan iones. Cuando el átomo gana electrones, el desequilibrio de cargas se produce a favor de las negativas y, de esta forma, el ion presenta una carga neta negativa que se conoce como anión; si por el contrario, el átomo ha perdido electrones, su carga neta será positiva y el ion recibe el nombre de catión.

El número de electrones que gana un átomo se indica junto a su símbolo en la parte superior derecha, precedido del signo «-». De igual forma ubicaremos el número de electrones perdidos por el ion, solo que en este caso será el signo «+» el que lo preceda. En el caso concreto de que el átomo gane o pierda un solo electrón, no se indica el número 1, sino que solo se pone el signo correspondiente.

12 X -2 12 + 7 7 Figura 4. A la izquierda, anión que ha ganado dos electrones. A la derecha, catión que ha perdido un solo electrón. Fuente: elaboración propia.

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Ideas clave

En el caso de los iones, el número de protones ya no coincide con el número de electrones y, por tanto, deberemos ser más cuidadosos en el cálculo de las partículas que constituyen el átomo.

Cálculo de partículas en iones

Átomo Z A Nº protones Nº neutrones Nº electrones 35cl- 17 35 17 18 18 9Be2+ 4 9 4 5 2 65Zn2+ 302 30 65 30 35 28 Tabla 3. Cálculo del número de protones, neutrones y electrones que constituyen diferentes iones. Fuente: elaboración propia.

Isótopos

Hemos visto cómo átomos de un mismo elemento nunca pueden diferir en el número de protones que contiene su núcleo (si así fuera, estaríamos hablando de elementos distintos), pero sí en el número de electrones que hay en su corteza -los iones -.

No obstante, existe otra posibilidad en la que los átomos de un mismo elemento difieren en el número de partículas que los constituyen; en este caso, se diferencian en el número de neutrones y se conocen como isótopos.

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que difieren en el número de neutrones presentes en su núcleo. Estos átomos, al presentar un mismo número de protones, pero diferente de neutrones, tendrán el mismo número atómico y diferente número másico.

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