Nota: La imagen muestra un modelo simple del átomo de carbono. Ilustra cierta información básica como la cantidad de protones y neutrones en el núcleo. También muestra que la cantidad de electrones es la misma que la cantidad de protones. Este modelo también muestra que algunos electrones pueden estar cerca del núcleo y otros más alejados. Un problema con este modelo es que sugiere que los electrones giran alrededor del núcleo en círculos perfectos en el mismo plano, pero esto no es verdadero. El modelo más ampliamente aceptado muestra que los electrones tienen una “nube de electrones” tridimensional entorno al núcleo. Se les presentarán estas ideas a los estudiantes un poco más en detalle en la lección 3. Sin embargo, para gran parte del estudio de la química al nivel de la escuela media, el modelo que se muestra en la ilustración será muy útil. Además, para la mayoría de nuestros usos de este modelo de átomo, el núcleo se mostrará como un punto en el centro del átomo.
Muestre las animaciones y explique que los protones y electrones tienen cargas opuestas y se atraen entre sí.
Proyecte la animación Protones y electrones.
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Explique a los estudiantes que dos protones se repelen entre sí y que dos electrones se repelen entre sí. Pero un protón y un electrón se atraen. Otra forma de decirlo es que las mismas cargas o “similares” se repelen unas a otras y las cargas opuestas se atraen.
Dado que las cargas opuestas se atraen, los electrones negativamente cargados se ven atraídos a los protones cargados positivamente. Dígales a los estudiantes que esta atracción es lo que mantiene unido al átomo.
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Explique a los estudiantes que en un átomo de hidrógeno, el electrón cargado negativamente se atrae al protón cargado positivamente. Esta atracción es lo que mantiene unido al átomo.
Dígales a los estudiantes que el hidrógeno es el átomo más simple. Tiene solo 1 protón, 1 electrón y 0 neutrones. Es el único átomo que no tiene ningún neutrón. Explique que este es un modelo simple que muestra un electrón alrededor del núcleo.
Haga clic en el botón “Mostrar nube” y explíqueles a los estudiantes que este es un modelo diferente. Muestra el electrón en el espacio alrededor del núcleo que se denomina una nube de electrones o nivel de energía. No es posible saber la ubicación de un electrón, sino solo la región en la que es más probable que se encuentre. La nube de electrones o nivel de energía muestra la región alrededor del núcleo en el que el electrón tiene más probabilidades de encontrarse.
Nota: Los estudiantes más curiosos podrían preguntar cómo es posible que los protones cargados positivamente puedan permanecer tan unidos en el núcleo: ¿Por qué no se repelen? Esta es una muy buena pregunta. La respuesta escapa a la introducción a la química para la escuela media, pero lo que puede decirles es que existe una fuerza denominada la “Fuerza nuclear fuerte”, que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Esta fuerza es mucho más fuerte que la fuerza de repulsión entre un protón y otro.
Otra buena pregunta: ¿Por qué el electrón no impacta contra el protón? Si se atraen, ¿por qué no chocan simplemente? De nuevo, una respuesta detallada a esta pregunta escapa el alcance de la química de la escuela media. Pero una respuesta simplificada tiene que ver con la energía o velocidad del electrón. A medida que el electrón se acerca al núcleo, aumenta su energía y velocidad. Finaliza moviéndose en una región alrededor del núcleo a una velocidad que es lo suficientemente elevada para que equilibre la atracción que ejerce, de modo que el electrón no choca con el núcleo.
Entréguele a cada estudiante una hoja de actividades.
Haga que los estudiantes respondan las preguntas sobre la ilustración en la hoja de actividades. Los estudiantes registrarán sus observaciones y responderán las preguntas sobre la actividad en la hoja de actividades. Las secciones Explicar con átomos y moléculas y Continuar de la hoja de actividades se completarán con la clase, en grupos o individualmente, según sus indicaciones.
Los protones, neutrones y electrones son las partículas que componen el átomo, que es la parte más pequeña del elemento. Estas partículas determinan las características y propiedades de los elementos químicos.
Los protones y neutrones se encuentran concentrados en el núcleo atómico, mientras los electrones están distribuidos en la corteza o la periferia del átomo. Un átomo tiene la misma cantidad de electrones y protones, mientras la cantidad de neutrones es variable.
A continuación, te presentamos una tabla comparativa entre protones, neutrones y electrones.
Protón Neutrón Electrón Definición Partícula subatómica de carga positiva Partícula subatómica de carga neutra Partícula subatómica de carga negativa Carga Positiva
+1 Neutra
0 Negativa
-1 Símbolo p+ n0 e- Localización en el átomo Núcleo Núcleo Orbitales periféricos Masa (kg) 1,673 x 10–27kg 1,675 x 10–27kg 9,109 x 10–31kg Masa comparada con el protón (amu) 1 1 0,0005 Partícula elemental 3 cuarks: 2 u y 1 d 3 cuarks: 2 d y 1 u 1 leptón Descubridor (año) E. Rutherford (1911) J. Chadwick (1931) J.J.Thomson (1897)
¿Qué es un protón?
Los protones son las partículas de carga positiva que se encuentran en el núcleo de un átomo. Cada átomo de un elemento tiene una cantidad fija de protones, lo cual determina su número atómico o Z. Asi, el hidrógeno tiene un protón y Z es igual a 1.
La masa del protón es 1,673 x 10-27 kg, que representa 1 unidad de masa atómica o amu (por sus siglas en inglés atomic mass unit).
En 1911, Ernest Rutherford descubrió que el núcleo de un átomo era diminuto y cargado positivamente, y de allí surgió el concepto del protón.
El protón está compuesto por unas partículas elementales llamadas cuarks o quarks: 2 cuarks u (por up=arriba) y 1 cuark d (por down=abajo).
Esquema de la constitución de cuarks de un protón, con dos cuark «arriba» (u) y un cuark «abajo» (d).
¿Cómo calcular los protones de un átomo?
La cantidad de protones de un átomo se puede determinar a partir de su número atómico, que es el número de posición en la tabla periódica.
Por ejemplo, el oro Au tiene como número atómico=79, quiere decir que el oro tiene 79 protones en su núcleo.
¿Qué es un neutrón?
Los neutrones son las partículas que se encuentran en el núcleo de un átomo junto con los protones. Se denotan por la letra n y tienen carga neutra. El único elemento que no posee neutrones es el hidrógeno.
La masa de los neutrones es muy similar al de los protones, por lo que la suma de las masas de los protones y los neutrones determina la masa atómica de un elemento.
Los átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente cantidad de neutrones se llaman isótopos. Por ejemplo, el deuterio es un isótopo del hidrógeno, que tiene un neutrón y un protón en el núcleo.
El físico inglés James Chadwick descubrió en 1931 esta partícula subatómica, con una masa aproximada al protón, pero con carga eléctrica neutra, por lo que fue llamada neutrón.
El neutrón está compuesto como el protón por cuarks: 1 cuark u (por up=arriba) y 2 cuarks d (por down=abajo).
Esquema de la constitución de cuarks de un neutrón, con dos cuark «abajo» (d) y un cuark «arriba» (u).
¿Cómo calcular los neutrones de un átomo?
Podemos calcular la cantidad de neutrones de un átomo si conocemos su masa atómica y su número atómico Z. Ya sabemos que el número atómico Z es la cantidad de protones y la masa atómica es la suma de protones y neutrones que tiene un átomo.
Por ejemplo, el oxígeno tiene una masa atómica de 16 y Z es 8. La cantidad de protones del oxígeno es igual a masa atómica menos Z:
16 – 8= 8 neutrones
¿Qué es un electrón?
Los electrones son las partículas del átomo que se encuentran en la nube que rodea al núcleo. Mientras protones y neutrones se concentran en el núcleo, los electrones se distribuyen en capas en el exterior.
Los electrones de la capa más externa de un átomo pueden saltar de un átomo a otro. Esto le otorga al átomo una carga eléctrica diferente; por ejemplo si un átomo gana un electrón, su carga será negativa, en cuanto si pierde un electrón, la carga será positiva.
Esto es lo que pasa en los iones, es decir, un átomo que gana o pierde uno o más electrones. Por ejemplo, el cloro tiene 17 electrones, pero puede ganar un electrón para transformarse en anión cloruro Cl-, con 18 electrones y una carga negativa.
El electrón fue descubierto en 1897 por J.J. Thomson, el mismo del modelo atómico del «pudin de pasas».
El electrón está compuesto por una partícula elemental que es el leptón.
La masa de un electrón es casi 2000 veces más pequeña que la del protón y el neutrón. Imagina que un protón o un neutrón fueran del tamaño de una bola de boliche de 3 kilos y medio, entonces el electrón sería del tamaño de una canica pequeña.
Por eso, la masa de los electrones en un átomo es despreciable cuando se calcula la masa atómica.
¿Cómo calcular los electrones de un átomo?
La cantidad de electrones de un átomo neutro es igual a la cantidad de protones que tiene ese átomo. Por ejemplo, el oro Au tiene 79 protones, por lo tanto, tendrá 79 electrones.
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Referencias
Myers, R.L. (2005) The Basics of Physics. Greenwood.
Peake, B.M. (1989) The discovery of the electron, proton, and neutron. J.Chemical Education 66:738. DOI: 10.1021/ed066p738
