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Estructura atómica

Científicos de todas las épocas han trabajado incansablementepara conocer la estructura de la materia que nos rodea. Ya desdela Antigüedad se propuso que la materia estaba constituida porpequeñas partículas, a las que denominaron átomos.

1. Estructura atómica de la materia2. Elementos químicos e isótopos3. Moléculas 4. La tabla periódica

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1. Estructura atómica

Un átomo es la parte más pequeña que puede existir de un elemento.

1 pm = 10-12 m

A pesar de su reducido tamaño, los átomos están formados a su vez por par-tículas todavía más pequeñas llamadas partículas subatómicas.Podemos comparar los átomos con esferas cuyo diámetro varía de un ele-mento a otro. Como estos diámetros son muy pequeños, para expresar suvalor se utiliza un submúltiplo del metro llamado picómetro (pm).

Muestra de grafito. El grafito es carbonopuro.

Lámina de grafito observada a través de unmicroscopio de efecto túnel.

1. Estructura atómica de la materiaConocer cómo está constituida la materia que nos rodea ha sido siempre uno delos grandes objetivos perseguidos por los hombres de ciencia. Entre los siglos V yVI a. C., el filósofo griego Leucipo y su discípulo Demócrito ya imaginaron que lamateria estaba constituida por partículas pequeñas, indivisibles, a las que llama-ron átomos.A finales del siglo XVIII, Higgins y, años después, Dalton expusieron la idea de lanaturaleza atómica de la materia para explicar de modo satisfactorio los resulta-dos de las numerosas experiencias llevadas a cabo por científicos como Lavoisier,Proust, Richter y el propio Dalton.Según la teoría atómica de Dalton, la materia está formada por agregación dediminutas partículas indivisibles, llamadas átomos.Sin embargo, las experiencias realizadas a finales del siglo XIX y principios del XXindican que el átomo no es una bola maciza indivisible, como imaginaba Dalton,sino que está formado por otras partículas.Los descubrimientos del electrón, a finales del siglo XIX, del protón en 1906 y delnúcleo del átomo, en 1911, supusieron el punto de partida de la química moder-na. A partir de entonces, se han realizado continuos experimentos para ir profun-dizando cada vez más en el estudio de la estructura del átomo. El neutrón no fuedescubierto hasta 1932, pero lo había previsto Rutherford ya en 1920.Actualmente, sabemos que la materia es discontinua y que está formada a partirde diminutas partículas llamadas átomos.

Así, el átomo de hidrógeno, el más pequeño, tiene un diámetro del orden de100 pm, y los átomos de mayor volumen, como el cesio, llegan a tener un diá-metro de unos 540 pm. Fijate en lo diminuto que resulta este submúltiplo: ¡hayque dividir un metro en 1012 partes –un billón de partes– para obtener la longitudde un picómetro!

Si colocamos átomos de hidrógeno uno al lado de otro y en línea recta, ¿cuántos cabrán en un metro? (Segúnhemos indicado, el diámetro de un átomo de hidrógeno es de 100 pm.)

1 m � 1 átomo de HNúmero de átomos de hidrógeno = ––––––––––––––––––––––––– = 10 000 000 000 átomos de H = 1010 átomos de H

100 � 10-12 m

¡Unos diez mil millones de átomos! Este número es mayor que el número de habitantes de la Tierra.

E J EMPLO

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Una de las mayores aspiraciones delos científicos siempre ha sido ver losátomos, que, debido a su reducidotamaño, no pueden observarse a tra-vés de un microscopio ordinario.Actualmente, esto es posible graciasa los llamados «microscopios deefecto túnel». Con estos instrumen-tos han podido obtenerse imágenesde los átomos de la superficie de unamuestra de materia.

¿Cómo se ven los átomos?1.1 El interior de los átomosLos átomos están constituidos por un núcleo, que ocupa la parte central delátomo, y una envoltura.El núcleo está formado, fundamentalmente, por dos clases de partículas: losprotones y los neutrones. Las partículas que forman la envoltura son loselectrones.

Protones, neutrones y electrones son partículas subatómicas.n Los protones, p, tienen carga eléctrica positiva. Esta carga se llamacarga elemental por ser la más pequeña conocida. Toda carga eléctrica esun múltiplo entero de la carga elemental. La masa de un protón es de 1,67x 10-27 kg.

n Los neutrones, n, no tienen carga eléctrica y su masa es, aproximada-mente, igual a la del protón. Los protones y neutrones, como constituyentes del núcleo, se designanindistintamente con el nombre de nucleones.

n Los electrones, e o e–, tienen una carga eléctrica igual a la del protón, perode signo contrario. Los electrones poseen, en consecuencia, carga eléc-trica negativa. Los electrones tienen una masa pequeñísima: la masa de unelectrón es 1 840 veces más pequeña que la del protón.

Los electrones se mueven a gran velocidad alrededor del núcleo del átomo.Todos los electrones son iguales entre sí, aunque pertenezcan a distintos áto-mos, y lo mismo sucede con los protones y los neutrones.Dado que un átomo es eléctricamente neutro, es decir, no tiene exceso decargas positivas ni negativas, el número de protones del núcleo es igual alnúmero de electrones de la envoltura.El núcleo atómico ocupa una mínima fracción del volumen total del átomo. Unátomo está tremendamente vacío: la mayor parte de su volumen carece demateria.Como los electrones tienen una masa despreciable, comparada con la del pro-tón o neutrón, casi la totalidad de la masa del átomo reside en el núcleo,el cual posee una gran densidad.

El átomo más sencillo es el hidrógeno,formado por un electrón y un protón.Una nube de carga negativa rodeacompletamente el protón, colocadoexactamente en su centro.

El diámetro de un átomo de cesio es de unos 540 pm. Si se colocaran uno al lado del otro y en línea recta, ¿cuántos cabrían enun milímetro?

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Frotá un bolígrafo con un paño de lana y acercalo a cuerpos de poco peso (por ejemplo, trocitos de papel) y observácómo los atrae. Lo mismo ocurre al frotar un peine o una lámina de plástico. ¿Cómo lo explicamos?

A causa del frotamiento, los cuerpos se han electrizado y han adquirido cargas eléctricas. El bolígrafo, al ser frotadocon el paño, adquiere carga negativa, por lo que pasan electrones del paño al bolígrafo, y el paño queda con carga posi-tiva. Los protones y los neutrones quedan fijos en el núcleo de los átomos, son los electrones situados en su envolturalos que pueden cederse con relativa facilidad.

Cuando un átomo pierde o gana electrones se convierte en un ion con carga positiva o negativa, respectivamente.

ACT IV IDADES

EXPER I ENC IA


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1.2 Otras partículas subatómicas

Además del electrón, el protón y del neutrón, los físicos han ido descubriendomuchísimas más partículas. Entre ellas figuran los positrones, que son partí-culas de masa igual a la del electrón, pero de carga positiva, y los antiproto-nes, que son partículas de masa igual a la del protón, pero de carga negativa.Otros ejemplos los constituyen los muones, los hiperones, los mesones, etcEl descubrimiento y el estudio de nuevas partículas subatómicas no se handetenido y su número llega a varios centenares. Ello se ha conseguido graciasa la utilización, entre otras técnicas, de unos aparatos llamados aceleradoresde partículas. En su interior, las partículas adquieren velocidades cercanas a300 000 km/s (velocidad de la luz). Al chocar unas partículas con otras se creanotras nuevas, aunque la mayoría son inestables y solo existen durante peque-ñas fracciones de segundo. Se han llegado a poner de manifiesto partículas nue-vas que no aparecen en la materia en condiciones ordinarias. Actualmente, lamayoría de los centros de investigación nuclear, y también algunas grandesempresas, disponen de aceleradores de partículas.El Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) posee en Ginebra, desde1989, un acelerador llamado LEP situado en un área cercana a esa ciudad.Para su construcción se perforó un túnel circular de 27 km cuyo interior alber-ga el acelerador.En noviembre del 2009 empezó a funcionar el acelerador de partículas más caroy más energético del mundo: el LHC. Está situado en la frontera franco-suiza. Las partículas subatómicas, ¿podrían estar formadas por otras todavíamás pequeñas? Hasta 1964 se creía que todas ellas eran elementales, esdecir, no se podían descomponer en otras más sencillas. Pero, en 1964, losfísicos Murray Gell-Mann y Georges Zweig llegaron simultáneamente a lamisma conclusión: muchas de las partículas consideradas elementales, inclu-so los protones y los neutrones, están formadas por la unión de dos o trescomponentes aún más elementales, a los que se los denominó quarks.Actualmente, se cree que los electrones son, efectivamente, elementales.

El gran acelerador de partículas LHC estáinstalado en un túnel, a 100 m de profun-didad, en la frontera franco-suiza y es elacelerador más potente jamás construido.Es una máquina superconductora de 27 kmde perímetro circular que funciona a 271grados centígrados bajo cero. En los puntosdonde colisionan los haces de partículas,cuatro gigantescos detectores registraránlos efectos de los choques para explorar lasleyes que rigen el funcionamiento de loscomponentes fundamentales de la materia.

Detalle del interior del túnel aceleradorde partículas subatómicas.

Cada nucleón (protón o neutrón) está formado por tres quarks.

átomo

núcleonúcleo

nucleón

electrón

quark


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El número atómico de un elemento es 65. ¿De qué elemento se trata? ¿Cuántos protones tienen en el núcleo todos los áto-mos de este elemento? ¿Cuántos electrones tienen en la envoltura?

Escribí los símbolos de los elementos cuyos números atómicos son 32, 64, 45 y 59. (Consultá la tabla periódica.)

Sin consultar la tabla periódica, mencioná 10 elementos que conozcas y escribí el símbolo correspondiente.4

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2. Elementos químicos e isótopos2.1 Elementos químicos y número atómicoConoces metales como el hierro, el mercurio, el aluminio, el cobre, la plata, eloro, y gases como el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno, etc. Todos ellos sonelementos y cada uno se distingue de los demás por sus propiedades carac-terísticas, que permiten reconocerlos.Si todos los elementos están formados a partir de átomos, ¿en qué se diferencianlos átomos de un elemento de los de otro? Se diferencian en el número de pro-tones que contienen sus núcleos. De este modo, todos los átomos de hidró-geno tienen un protón en su núcleo; todos los de carbono tienen seis protones ensu núcleo; todos los de uranio tienen noventa y dos protones en su núcleo, etc.

Este número es igual al de electrones que posee el átomo neutro alrededor delnúcleo.

A cada elemento le corresponde un número atómico. El número atómico sesimboliza por Z.

ACT IV IDADES

El número de protones que posee el núcleo de un átomo recibe el nombrede número atómico.

Un elemento químico es una sustancia pura formada a partir de átomosque tienen el mismo número atómico.

Vías de hierro

HierroDensidad: 7874 kg/m3

Color: gris metálicoTodos los átomos de hierro tienen 26 pro-tones en el núcleo.Número atómico: Z = 26

Latas de aluminio.

AluminioDensidad: 2 698,4 kg/m3

Color: gris plateadoTodos los átomos de aluminio tienen 13protones en el núcleo.Número atómico: Z = 13

2.2 Isótopos y número másicoYa hemos explicado que un elemento se caracteriza por el número de protonesque poseen sus átomos (número atómico). Pero dos núcleos de dos átomos deun mismo elemento pueden contener distinto número de neutrones. Si esto ocu-rre, los dos átomos poseen masas distintas y se los llama isótopos de dicho ele-mento (la palabra isótopo proviene del griego y significa “mismo lugar”).

Así, los isótopos son átomos de un mismo elemento que poseen distintonúmero de masa, es decir, tienen distinto número de neutrones y, en conse-cuencia, sus masas son distintas.La mayoría de los elementos están constituidos por mezcla de isótopos. Porejemplo, el cloro de la naturaleza está formado por una mezcla de dos isóto-pos. En cambio, el sodio está formado por átomos iguales, es decir, no estáconstituido por mezcla de isótopos. Lo mismo ocurre con otros elementos,como el aluminio y el fósforo.Para indicar el número de masa de cada isótopo se escribí primero el nombredel elemento y después el número de masa, separado por un guión. Así, parapresentar los dos isótopos del cloro escribiremos:

Cloro-35 y Cloro-37

Cuando se emplea el símbolo del elemento en lugar de su nombre completo,el número de masa se coloca en la parte superior y a la izquierda del símbolo,mientras que el número atómico se escribí en la parte inferior izquierda.


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El oxígeno está formado por lamezcla de tres isótopos:

O ; O ; O

De los tres, el más abundante esO, y el menos abundante, O.Indicá cuántos neutrones

hay en el núcleo de cada isótopoy el número de electrones quehay en la envoltura.

Del simbolismo químico utilizadodeducimos, sin necesidad deconsultar la tabla periódica, quetodos los átomos de oxígenoposeen 8 protones en el núcleo y,por tanto, 8 electrones en laenvoltura.

El núcleo del isótopo Ocontiene 16 – 8 = 8 neutrones.

El núcleo del isótopo Ocontiene 17 – 8 = 9 neutrones.

El núcleo del isótopo O contiene 18 – 8 = 10 neutrones.

168

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188

168

178

168

178

188

El elemento cloro, de número atómi-co 17, está constituido por átomosen cuyo núcleo hay 17 protones y 18neutrones (número de masa 35) yátomos en cuyo núcleo hay 17 pro-tones y 20 neutrones (número demasa 37).

⇒

⇒

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Número de masa (A)Número atómico (Z) He

El cobre de la naturaleza está formado por la mezcla de dos isótopos: cobre-63y cobre-68.Indicá cuántos neutrones y protones hay en el núcleo de cada isótopo y elnúmero de electrones de su envoltura. (Consultá la tabla periódica.)

El hidrógeno de la naturaleza está formado por la mezcla de tres isótopos:

H (el más abundante: 98,8 %, se llama protio)

H (0,02 %, se llama deuterio)

H (en cantidades inapreciables, se llama tritio)

Indicá cuántos neutrones y protones hay en el núcleo de cada isótopo y elnúmero de electrones de su envoltura. (Observá que el hidrógeno natural estáconstituido, fundamentalmente, por átomos de hidrógeno-1.)

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6

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Al número de protones y neutrones del núcleo de un átomo se le llama númeromásico o número de masa. El número de masa es siempre un número enteroy se simboliza por una A.

ACT IV IDADES

E J EMPLO


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La masa isotópica del carbono-13es 13,003. Esto significa que unátomo de carbono-13 tiene una masa13,003 veces mayor que la doceavaparte de la masa del átomo de carbo-no-12. Es lo mismo que decir que susmasas atómicas relativas son 13,003 y12, respectivamente.

Muchos químicos usan tradicional-mente la expresión peso atómico enlugar de masa atómica relativa.

2.3 Masa de los átomosMasa atómica relativa de un isótopo

Las masas de los átomos son extremadamente pequeñas. Así, la masa de unátomo de hidrógeno, el más ligero de todos, es de 1,7 � 10-28 kg y la masa deun átomo de plomo es tan solo de 353 � 10-28 kg.Al seleccionar una unidad, conviene elegirla de acuerdo con la cantidad que sedesea medir. Así, la masa de una persona la expresamos en kilogramos; en ellaboratorio, al realizar una experiencia, pesamos en la balanza unos gramos omiligramos de sustancia. Hemos tomado el kg, el g, el mg por parecernos uni-dades adecuadas a cada caso.Debido a que un átomo es muy pequeño, para medir su masa necesitamos unaunidad mucho menor que el kg, el g e, incluso, el mg. ¿Dónde encontrar unaunidad tan pequeña? Solo podemos buscarla en el propio mundodel átomo. Por ello, las masas de los átomos se comparan con la masa de unátomo, al que llamaremos átomo patrón.Aunque se han utilizado varios átomos patrones en el transcurso de la historiade la química, el actualmente aceptado es el átomo de carbono-12, el isótopomás abundante de carbono (contiene en su núcleo 6 protones y 6 neutrones),al que se le asigna una masa atómica relativa de 12,000.

Masa atómica relativa de un elementoCasi todos los elementos son mezclas de isótopos y, como en química lo querealmente se manejan son los elementos y no los isótopos por separado, inte-resa definir una masa atómica relativa que tenga en cuenta esta circunstancia.

La masa atómica no tiene unidad, se expresa simplemente por un númeropuro. El símbolo recomendado es Ar. Así, la Ar (Ne) = 20,18; Ar (Na) = 23. Alfinal del libro figura una tabla con los nombres de los elementos, ordenadosalfabéticamente, junto con su símbolo, número atómico y masa atómica.

Calculá cuántas veces es mayor la masa de un átomo del elemento plomo quela del elemento litio. (Consultá la tabla periódica.)

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La unidad es, por tanto, la doceava parte de la masa de un átomo de car-bono-12.

Se llama masa atómica relativa de un isótopo, o masa isotópica, al cocienteentre la masa de un átomo de un isótopo determinado y la doceava parte de lamasa de un átomo de carbono-12.

Se define la masa atómica relativa de un elemento, o peso atómico, comoel cociente entre la masa promedio de un átomo del elemento y la doceavaparte de la masa de un átomo de carbono-12.

ACT IV IDADES

Iones positivos y negativosPuede ocurrir que un átomo pierda o gane electrones, convirtiéndose en unátomo del mismo elemento, cargado eléctricamente, llamado ion.

Así, cuando un átomo pierde uno, dos o más electrones, el ion que se ha for-mado tiene una, dos o más cargas positivas. Si un átomo gana uno, dos o máselectrones, el ion que se ha formado tiene una, dos o más cargas negativas.Recordá que las propiedades de un ion no son las mismas que las del átomodel que procede. Para representar un ion se coloca, en la parte superior dere-cha del símbolo del elemento, un número que indique las cargas eléctricas delion, precedido de un signo (+) si las cargas son positivas y de un signo (–) sison negativas. Por ejemplo, un átomo de potasio puede perder un electrón,con lo que formará un catión que simbolizamos por K+ (ion potasio); un átomode hierro puede perder dos o tres electrones. Los iones resultantes se repre-sentan, respectivamente, por Fe2+ y Fe3+, y se llaman iones hierro (II) e ioneshierro (III). Un átomo de cloro puede ganar un electrón y convertirse en un ionde cloro, Cl–, llamado ion cloruro.


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Si un átomo pierde uno o varios electrones, se convierte en un ion con cargaeléctrica positiva, llamado catión.

Si un átomo gana uno o varios electrones, se convierte en un ion con cargaeléctrica negativa, llamado anión.

En el caso que la carga sea igual a 1solo se escribe el signo (+) o (–), y nose especifica número alguno.

Explicá lo que se pretende indicar al escribir: Sr2+, Br–, Fe3+, NO , Ni2+.–38

Los iones no solo pueden ser átomoscargados eléctricamente, sino tambiéngrupos de átomos cargados eléctrica-mente (positiva o negativamente).

Así, por ejemplo, en el ion sulfato,SO , hay un átomo de azufre y cua-tro átomos de oxígeno. El conjunto deestos cinco átomos unidos entre sítiene dos electrones suplementarios.El ion sulfato es un anión con dos car-gas negativas.

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ACT IV IDADES

E J EMPLOS

1.Supongamos que tenemos una caja que contiene 100 naranjas y que 60 de ellas tienen una masa de 200 g cadauna, otras 25 tienen una masa de 180 g cada una y la masa de las 15 restantes es de 190 g. ¿Cuál es la masa media(o masa promedio) de una naranja?

La masa total de las 100 naranjas es: (60 � 200 + 25 � 180 + 15 � 190) g = 19350 gAl dividir 19350 g entre 100 naranjas obtendremos la masa promedio de una naranja:Masa promedio de una naranja = 19350 g / 100 naranjas = 193,5 g/naranja

2.El elemento neón está formado por una mezcla de tres isótopos:

Isótopos Masa atómica relativa del isótopo Abundancia natural % en átomos

Neón-20 19,99 90,51Neón-21 20,99 0,26Neón-22 21,99 9,22

¿Cuál es la masa promedio de un átomo de neón?Procediendo como en el ejemplo explicado, la masa (relativa) de 100 átomos de mezcla es:90,51 � 19,99 + 0,26 � 20,99 + 9,22 � 21,99 = 2018Al dividir 2 018 entre 100 obtendremos la masa promedio de un átomo, que es lo que llamamos masa atómicarelativa del elemento neón. Masa atómica relativa del neón = 2 018/100 = 20,18

2.4 Abundancia relativa de los elementos

En la corteza terrestreElementos como el cinc, el cobre, el mercurio, la plata, el oro… nos son fami-liares, pero esto no implica que sean los más abundantes.

En la figura A está representada la composición media de la corteza terrestre.De su examen se deduce que un 99 % está constituido por solo nueve ele-mentos.Elementos como el oro, la plata, el mercurio, el platino, el yodo y el bismuto sehallan en la Tierra en una pequeñísima proporción.

En los animales y vegetalesEn la figura B puedes observar que, en los seres vivos, el 98 % de su materialo constituyen solo seis elementos.El oxígeno es también el elemento más abundante, seguido del carbono, elhidrógeno, el nitrógeno, el calcio y el fósforo. Estos dos últimos son constitu-yentes del esqueleto de los animales.El 2% restante está constituido por cloro, potasio, azufre, sodio, magnesio, hie-rro y yodo, así como por unos elementos que se hallan en cantidades ínfimas,pero que son indispensables para la vida; son los llamados oligoelementos(del griego oligos, «poco»). Los principales son el cobre, el cobalto, el flúor, elboro, el manganeso, el molibdeno y el cinc.Por ello, para mantenernos sanos necesitamos una dieta equilibrada. Así, elpescado azul es rico en yodo y calcio. Las verduras son ricas en sodio, calcioy hierro. Las almendras y avellanas contienen calcio y la yema del huevo con-tiene azufre, sodio, cinc, etc.


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Los dos elementos más abundantes en la corteza terrestre son el oxígeno y elsilicio.

H

1,0 %Mg

2,0 %K

2,4 %Na

2,5 %Ca

3,4 %Fe

4,7 %Al

7,5 %P

1,0 %Ca

2,0 %N

3,0 %H

10 %

A B

oxígeno49,5%

silicio26%

otroselementos1,0%

otros elementos2,0%

oxígeno62%

carbono20%

Tanto por ciento en masa de los elementos más abundantes en lacorteza terrestre. Con unos 30 km de espesor, comprende los océa-nos, la tierra emergida y las primeras capas del globo terrestre.

Tanto por ciento en masa de los elementos más abundantes en lamateria viva.

El silicio no se encuentra libre en la natu-raleza. La arena de las playas y la de losdesiertos es, en gran parte, dióxido de sili-cio. La mayoría de las rocas corrientes con-tiene silicio. El dióxido de silicio está pre-sente en varias formas de cuarzo, como elcristal de roca y la amatista.

El universo está constituido, funda-mentalmente, por hidrógeno y helio.

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A B C

3. Moléculas3.1 Moléculas de elementos

Las moléculas están formadas por la unión de dos o más átomos.

Observá las figuras A, B y C. El dicloro, el dibromo y el diyodo, junto con el dihi-drógeno, el dioxígeno, dinitrógeno y diflúor, están formados por moléculas, cadauna de las cuales contiene dos átomos del mismo elemento: sus moléculas sondiatómicas.

En otros casos, las moléculas del elemento pueden estar formadas por más de dosátomos. Así, por ejemplo, las moléculas de fósforo blanco contienen 4 átomos defósforo, y las moléculas de azufre en estado sólido están formadas por 8 átomos.Los átomos también pueden unirse formando grandes redes cristalinas, tal comosucede, por ejemplo, en el diamante y en los metales. En cambio, los gases helio,neón, criptón, xenón y radón, llamados gases nobles, están formados por átomosseparados entre sí. Son gases monoatómicos. Sus átomos no sólo no se unenentre sí, sino que difícilmente se unen con átomos de otros elementos.

El dicloro es un gas amarillo verdoso, muytóxico, formado por partículas llamadasmoléculas de cloro. Cada molécula estáformada por dos átomos de cloro.

Modelo del flúor o diflúor.

El dibromo es un líquido de color rojizomuy volátil. Sus vapores son muy tóxicos.Tanto el líquido como el gas están forma-dos por moléculas diatómicas.

El diyodo es un sólido de color gris oscuro.Al calentarlo suavemente, sublima. El sóli-do y el gas están formados por moléculasque contienen dos átomos de yodo.

Modelo del cloro o dicloro. Modelo del bromo o dibromo. Modelo del yodo o diyodo.

Si los átomos unidos son de un mismo elemento, tenemos la molécula deun elemento.

3.3 Compuestos iónicosNo todos los compuestos químicos están formados, necesariamente, pormoléculas. Muchos compuestos, sobre todo los sólidos, no forman moléculas, sino queestán constituidos por iones negativos y positivos, con lo que resulta un con-junto eléctricamente neutro: un compuesto de este tipo contiene tantas cargaspositivas aportadas por los cationes como cargas negativas aportadas por losaniones.

El cloruro de potasio, el cloruro de calcio, la cal viva (óxido de calcio) y el óxidode sodio son ejemplos de compuestos iónicos.

3.2 Compuestos moleculares

Existen compuestos químicos cuyas moléculas están formadas por pocos áto-mos, como por ejemplo el agua, el metano, el amoníaco, el dióxido de carbo-no o el alcohol.Otros compuestos están formados por moléculas con un mayor número deátomos. Así, por ejemplo, una molécula de glucosa está formada por 6 átomosde carbono, 12 de hidrógeno y 6 de oxígeno.Otras moléculas son todavía más complejas, y están formadas por muchísimosátomos. Son las llamadas moléculas gigantes o macromoléculas. Estasmoléculas contienen hasta ¡700 000 átomos!Los plásticos, las fibras textiles, el caucho, las proteínas y el almidón son ejem-plos de sustancias formadas por macromoléculas (figuras A y B).

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A B

Cl -Na+

Si los átomos unidos para formar una molécula son de distintos elementos, seforma la molécula de un compuesto químico llamado compuesto molecular.

A los compuestos formados por iones se los llama compuestos iónicos.

Planta de algodón. El capullo es práctica-mente celulosa pura, compuesto formadopor macromoléculas. La celulosa es una fibranatural.

Tejido de nailon. El nailon también está for-mado por macromoléculas y es un ejemplode fibra artificial.

Modelo molecular del metano. Cadamolécula está formada por un átomode carbono y cuatro de hidrógeno.

Cristal de cloruro de sodio (sal común).

El cloruro de sodio es un compuestoquímico formado por iones. Es un com-puesto iónico.

Todas las moléculas de un determina-do compuesto están constituidas porel mismo número y por la misma clasede átomos.

3.4 Masa molecular relativa

Hemos definido la masa atómica de un elemento como un número que nospermite comparar la masa media de un átomo de ese elemento con la docea-va parte de la masa del átomo patrón, carbono-12.

La masa molecular relativa no tiene unidades, se expresa simplemente con unnúmero.

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El símbolo recomendado para la masa molecular es Mr. Así:

Mr (H2O) = 18

Mr (CH4) = 16

El mismo concepto y simbolismo es aplicable a los iones y compuestosiónicos.Por ejemplo:

Mr (NaCl) = 23 + 35,5 = 58,5

Mr (SO ) = 32 + 4 � 16 = 962–4

Del mismo modo, también podemos comparar la masa de una molécula conla masa de la doceava parte del átomo de carbono-12. Se obtiene, entonces,lo que en química llamamos masa molecular relativa o peso molecular.

¿Qué nos indica una fórmula molecular? La fórmula molecular del amoníacoes NH3. Explica qué nos indica dicha fórmula.

Halla la masa molecular relativa de los siguientes compuestos:– benceno C6H6,– ácido nítrico HNO3,– sacarosa, azúcar de mesa, C12H22O11.

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ACT IV IDADES

E J EMPLO

Como una molécula de agua está formada por dos átomos de hidró-geno y uno de oxígeno, su masa molecular es igual a la suma de dosveces la masa atómica del hidrógeno y una vez la masa atómica deloxígeno:

Masa molecular relativa del agua: 2 � 1 + 16 = 18

Al decir que la masa molecular relativa del agua es 18, queremos indi-car que una molécula de agua tiene una masa dieciocho veces mayorque la doceava parte de la masa del átomo de carbono-12.

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4. La tabla periódicaGrupos de elementosEn la antigüedad se conocían metales (como el hierro, el oro, la plata, el cobre,el mercurio, el estaño y el plomo) y no metales (como el azufre y el carbono).En el siglo XVII se conocían 13 elementos, y ya en el primer tercio del siglo XIXse conocían 63. Al estudiar las propiedades físicas y químicas de los elemen-tos y sus compuestos, los químicos del siglo XIX descubrieron propiedadessemejantes entre algunos de ellos.Así, por ejemplo, el litio, el sodio y el potasio, llamados metales alcalinos, tienen pro-piedades similares; los tres son menos densos que el agua, son blandos, se oxidanfácilmente y reaccionan con el agua y con el cloro. Las fórmulas de sus óxidos son,respectivamente, Li2O, Na2O y K2O, y las de sus cloruros, LiCI, NaCI y KCI.También tienen propiedades parecidas el calcio, el estroncio y el bario. Los tresse oxidan fácilmente y reaccionan con el cloro, pero con menos violencia quelos metales alcalinos. Las fórmulas de sus óxidos respectivos son CaO, SrO yBaO, y las de sus cloruros, CaCl2, SrCl2 y BaCl2. Estas fórmulas se parecenentre sí, pero son diferentes de las de los compuestos correspondientes de losmetales alcalinos.Igualmente, se descubren propiedades semejantes en el grupo formado por elflúor, el cloro, el bromo y el yodo. Son no metales muy activos químicamente.También hay semejanzas en el grupo formado por el azufre, el selenio y el telu-rio, y en otros grupos de elementos. Estos hechos, junto con otros datos expe-rimentales, como los puntos de fusión y ebullición, la conductividad eléctrica yla densidad de los elementos y sus compuestos conocidos, pusieron de mani-fiesto la existencia de una relación entre los elementos e hicieron pensar que,a partir de esta relación, era posible clasificarlos.

La clasificación periódica de MendeléievHubo varios intentos de clasificación de los elementos, pero no fue hasta 1869que el químico y médico alemán Lothar Meyer y el químico ruso D. I.Mendeléiev establecieron, cada uno por su cuenta, las bases de la clasificaciónperiódica actual. Al estudiar los elementos, Mendeléiev encontró una repetición periódica de suspropiedades al ordenarlos por orden creciente de sus masas atómicas. Estosignifica que, al cabo de un cierto número de elementos, los que los siguen tie-nen propiedades similares a los precedentes.Mendeléiev publicó en 1869 su tabla periódica. En ella están ordenados los 63elementos conocidos, ordenados de manera que los de propiedades parecidasquedan situados en un mismo grupo. El mismo año, Meyer propuso una tablaparecida, pero fue conocida más tarde que la de Mendeléiev.

4.1 La tabla períodica moderna

Aunque la tabla periódica de Mendeléiev fue de gran utilidad, posteriormentese descubrió que lo que caracteriza a cada elemento es su número atómico.Se demostró entonces que el criterio correcto era ordenar los elementos enforma creciente según su número atómico, no por su masa atómica.

El sodio es un metal que se puede cortarfácilmente con un cuchillo. Recién cortado,presenta un brillo metálico que pierde conrapidez por oxidación.

El sodio reacciona violentamente con elagua, desprendiendo una gran cantidad deenergía.

Un año después de la muerte deMendeléiev ya se conocían 86 ele-mentos. La rapidez con la que sedescubrieron fue posible gracias a sutabla periódica, la generalización másimportante de la Química.

En la tabla periódica moderna, o sistema periódico, los elementos están orde-nados por orden creciente de su número atómico.


18

PeríodosLos elementos están alineados en filas horizontales, llamadas períodos, numera-das del 1 al 7. Cuando los elementos se ordenan de esta manera, se observa que,al llegar a un determinado elemento, si se coloca el siguiente debajo del primero,los dos elementos de la misma columna tienen propiedades similares.

Por ejemplo, el litio y el sodio tienen propiedades parecidas, pero esto pasatambién con el berilio y el magnesio, el boro y el aluminio, el carbono y el sili-cio, y así sucesivamente.Si, al llegar al argón, colocamos el potasio debajo del sodio, se observa que ellitio, el sodio y el potasio —que se encuentran en la misma columna— tienenpropiedades similares.

Grupos de elementos o familiasEn cada columna se encuentran, entonces, los elementos que presentan cier-tas similitudes y que forman los denominados grupos o familias. En la tablaperiódica, los grupos o familias van numerados del 1 al 18.Algunos de los grupos o familias tienen nombres determinados:

• Los elementos del grupo 1 (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) son los metales alcali-nos.

• En el grupo 2 estan los metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). • El grupo 13 es la familia del boro (B, Al, Ga, In, Tl).• El grupo 14 es la familia del carbono (C, Si, Ge, Sn, Pb).• El grupo 15 es la familia del nitrógeno (N, P, As, Sb, Bi).• El grupo 16 se llama familia de los calcógenos (O, S, Se, Te, Po).• El grupo 17 comprende los elementos denominados halógenos (F, Cl, Br, I, At).• El último grupo de la tabla periódica, el número 18, lo forman los gasesnobles, llamados así porque difícilmente reaccionan con otros elementos.Son gases monoatómicos.

• A excepción del hidrógeno, los elementos que forman los grupos anterio-res (1, 2, 13, 14, 15, 16, 17 y 18) reciben el nombre de elementos repre-sentativos o elementos de los grupos principales.

• En medio de la tabla periódica, entre los grupos 2 y 13, hay diez gruposde metales de transición. Los más importantes son el hierro y el cobre.

• Al pie de la tabla hay dos grandes familias, la familia de los lantánidos yla familia de los actínidos, llamados así porque comienzan, respectiva-mente, por el lantano y el actinio. Los elementos que forman cada familiatienen propiedades muy parecidas entre ellos, por eso se agrupan y seestudian conjuntamente.

La raya más gruesa que, escalonadamente, va desde el boro hasta el astato,separa dos grandes grupos de elementos: los situados a la izquierda, que sonmetales, y los situados a la derecha, que son no metales. Los elementos con-tiguos a esta línea presentan, en unas ocasiones, propiedades de los metalesy, en otras, de los no metales, y se consideran semimetales.

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K

Los halógenos no se encuentran libresen la naturaleza. Excepto el astato,que es radiactivo, los halógenos com-binados con otros elementos danlugar a muchos compuestos.

Según la teoría de Bohr, los electronesocupan niveles de energía crecientealrededor del núcleo del átomo.

El primer nivel de energía contienecomo máximo 2 electrones, el segun-do, 8, el tercero, 18 y el cuarto, 32. Así,por ejemplo, los elementos represen-tativos, grupos, 1, 2, 13, 14, 15, 16, 17y 18 tienen, respectivamente, 1, 2, 3,4, 5, 6, 7 u 8 electrones en el últimonivel de energía. Por tanto, todos losmetales alcalinos tienen un electrón enel último nivel de energía, los alcalino-térreos tienen dos electrones en el últi-mo nivel de energía, etc.

Todas aquellas propiedades de los ele-mentos que dependen de la configura-ción electrónica del átomo variaránperiódicamente con el número atómi-co.

Todos los gases nobles tienen ochoelectrones en el último nivel excepto elhelio que tiene dos. Los gases noblestienen una configuración electrónicamuy estable por lo que son muy pocoactivos químicamente y sus moléculasson monoatómicas.

Por lo tanto, las analogías que presen-tan los elementos situados en unamisma columna de la tabla periódicase deben a una similitud en su confi-guración electrónica.

Estructura electrónica


19

Átomo y estructuraatómica

Núcleo

Envoltura electrónica

Un átomo es la parte más pequeña que puede existir de un elemento.Un átomo está constituido por un núcleo y una envoltura. El núcleo está formado por protones yneutrones. En la envoltura se encuentran los electrones.Los modelos moleculares nos ayudan a imaginar cómo es el interior de la materia.

Los protones, p, tienen carga eléctrica positiva.Los neutrones, n, no tienen carga eléctrica y su masa es, aproximada-mente, igual a la del protón.

Los electrones, e o e–, tienen una carga eléctrica igual a la del protón,pero de signo contrario.Los electrones tienen una masa pequeñísima. La masa de un electrónes 1 840 veces más pequeña que la del protón.La configuración electrónica de un átomo es la representación delmodo en que están distribuidos los electrones en los diferentes nivelesde energía del átomo en estado fundamental.

Número atómico

Se llama número atómico al número de protones que posee el núcleode un átomo.Un elemento químico es una sustancia pura formada por átomos quetienen el mismo número atómico.

Masa atómica relativade un isótopo

La masa atómica relativa de un isótopo se define como el cociente entrela masa de un átomo y la doceava parte de la masa de un átomo de car-bono-12.

Masa atómica relativade un elemento

Ión

La masa atómica relativa de un elemento se define como el cocienteentre la masa promedio de un átomo del elemento y la doceava parte dela masa de un átomo de carbono-12. Su símbolo es Ar. Así, Ar (Na) = 23

Un ion es un átomo o un grupo de átomos cargados eléctricamente (posi-tivamente o negativamente).

La tabla de Mendeléiev

Mendeléiev publicó en 1869 su tabla periódica. En ella están ordenadoslos 63 elementos conocidos en aquella época. Este químico encontró unarepetición periódica de las propiedades de estos elementos al ordenarlosen forma creciente según sus masas atómicas (pesos atómicos).

Disposición delos elementosy propiedades

En la tabla periódica moderna o sistema periódico, los elementos estánordenados en forma creciente según número atómico.Los elementos están distribuidos en filas horizontales denominadas perío-dos y numeradas del 1 al 7. Hay tantos períodos como niveles energéticos.

Las analogías que presentan los elementos situados en una misma colum-na de la tabla periódica se deben a la similitud en su configuración electró-nica y forman los grupos o familias numeradas del 1 al 18.

Clasificación de loselementos

Los elementos de la tabla periódica se clasifican en metales, no metalesy semimetales. La mayoría de los elementos son metales.Los metales están situados a la izquierda de la línea de trazo más grueso,que comienza en el boro y termina en el astato. Los elementos no metales están situados a la derecha de la línea de trazogrueso.Los semimetales son los elementos contiguos a dicha línea.

RESUMEN

Número de masa

Al número de protones y neutrones del núcleo de un átomo se le llamanúmero de masa.Los isótopos son átomos de un mismo elemento que poseen distintonúmero de masa, es decir, tienen distinto número de neutrones.

PROCEDIMIENTO

1. Coloca un clavo de hierro en cada uno de los cuatro tubos de ensayo y procede cómo se indicá en cada pie de figura.

Al cabo de una semana fijate detenidamente en cada uno de los clavos. Anotá los resultados en tu carpeta. ¿Qué factoresfavorecen la aparición de óxido? ¿En qué casos ha aparecido más óxido?

20

Material

2. Se coloca lana de hierro en el fondo de una probeta, comose ve en la figura A, y se mantiene invertida sobre un cris-talizador que contiene agua salada. Transcurridos un parde días se observa que la lana de hierro está completa-mente oxidada y que el nivel del agua en la probeta hasubido (figura B).

– ¿Qué demuestra esta experiencia?– ¿Por qué sube el nivel del agua de la probeta?

ACTIVIDAD

¿Qué observaríamos si la probeta estuviera llena de oxígenopuro?

Objetivo– Comprobar qué factores

favorecen la formacióndel óxido.

– 4 clavos de hierro– 4 tubos de ensayo– Aceite– Tapón para tapar un

tubo de ensayo– Probeta– Cristalizador– Soporte

– Pinzas– Lana de hierro– Sal– Agua destilada– Absorbente de la hume-

dad– Mechero de Bunsen

ACTIVIDADEXPERIMENTAL

Corrosiónde los metales

A. Poné en el fondo del tuboun absorbente de la hume-dad como el que se utilizaen los embalajes de elec-trodomésticos.

B. Sumergí un clavo en aguahirviendo, para que nocontenga oxígeno disuelto.Recubrila con una capa deaceite para que no llegueel aire.

C. Poné un clavo en agua sinhervir y mantené el tubodestapado.

D. Sumergí un clavo en aguasalada y mantené, ade-más, el tubo destapado.

A. Estado inicial. B. Al cabo de un par de días.



21

¿Por qué el núcleo de un átomo posee una gran densi-dad?

Los átomos están formados, fundamentalmente, portres clases de partículas. Escribí el nombre, símbolo ycarga de cada partícula.

¿Qué son los positrones?

¿Qué se entiende por elemento químico?

Explicá el significado de los términos: número atómico deun elemento, número de masa de un átomo e isótopos.

Escribí los símbolos de los elementos cuyos númerosatómicos son 22, 45, 62, 92. (Consultá la tabla periódi-ca.)

Indicá cuál es el nombre del elemento cuyos átomos tie-nen en su núcleo:a) 8 protones;b) 30 protones;c) 45 protones. (Consultá la tabla periódica.)

Un átomo con número atómico 40 y otro con número ató-mico 41. ¿Pueden ser isótopos? Razoná tu respuesta.

¿En qué se diferencian y en qué se parecen los isótoposde un elemento?

Los dos isótopos del cinc son cinc-65 y cinc-67. Escribíel simbolismo químico de cada uno. (Consultá la tablaperiódica.)

¿Cuántos neutrones hay en el núcleo de cada uno delos siguientes átomos: Ag; Pb?

Un átomo tiene número atómico 92 y número de masa238. Indicá:a) El número de protones y neutrones que hay en elnúcleo de este átomo.

b) Número de electrones de la envoltura.

El mercurio de la naturaleza está formado por una mez-cla de siete isótopos, de números de masa 196, 198,199, 200, 201, 202 y 204.Indicá el número de protones y neutrones que contieneel núcleo de cada isótopo y el número de electrones dela envoltura. (Consultá la tabla periódica.)

Las mediciones realizadas por aparatos del Apolo 17 en lasuperficie lunar parecen indicar que la Luna tiene unaatmósfera extremadamente tenue formada por 4He y 40Ar.Indicá el número de protones y neutrones que hay en elnúcleo de cada átomo de 4He y 40Ar. (Consultá la tablaperiódica.)

¿Cuántas veces es mayor la masa de cien átomos depotasio que la masa de cien átomos de carbono?

¿Cuáles son los gases nobles? ¿Cuáles son los dos ele-mentos más abundantes de la corteza terrestre?

Explicá qué diferencias hay entre un compuesto iónicoy uno molecular. Citá algún ejemplo.

El cloruro de potasio es un compuesto iónico de fórmu-la KCl. Explicá el significado de las palabras en negrita.

¿Qué es un anión? Mencioná algunos ejemplos. ¿Quées un catión? Citá algunos ejemplos.

¿Qué información nos da la fórmula molecular C6H12O6(glucosa)?

¿Qué son los oligoelementos?

¿Cuáles son los elementos más abundantes en la cor-teza terrestre?

¿Qué propiedad tienen en común todos los gasesnobles? ¿Por qué?

¿Qué elementos no metálicos conoces que sean sóli-dos a temperatura ordinaria?

a) ¿A qué grupo del sistema periódico pertenece el ra-dio?

a) A partir de los datos siguientes, predecí las propieda-des del radio.

108

47

32

31

29

28

26

22

21

20

17

16

15

14

13

12

207

82

11 24

33

34

35

18

19

23

25

27

30

Elemento

Mg

Sr

Ca

Ba

1,74

2,54

1,55

3,5

651

800

810

8510

1 110

1 150

1 170

1 150

Ra

Densidadg/cm3

Punto defusión °C

Punto deebullición °C

ACT IV IDADES F I NALES


22

1. Un átomo tiene número atómico Z = 13 y número de masa A = 27. Indicá:a) El número de protones y neutrones que contiene el núcleo de este átomo.b) El número de electrones de la envoltura.

2. Completá la frase:Un elemento químico es una sustancia pura formada por átomos que tienen el mismo ...... .

3. Completá la frase:Los isótopos son ...... .

4. El magnesio está formado por la mezcla de tres isótopos: Mg; Mg; Mg.Indicá cuántos neutrones hay en el núcleo de cada isótopo y el número de electrones de la envoltura.

5. Explicá la diferencia entre la molécula de un elemento y la de un compuesto.

6. Hallá la masa molecular de los siguientes compuestos: cloruro de hidrógeno, HCl; azúcar, C12H22O11.Datos: masas atómicas: H = 1; C = 12; O = 16; Cl = 35,5.

7. ¿Qué es un ion?

8. Explicá qué se pretende indicar al escribir Li+; Ba2+; O2–; Cl–.

9. ¿A qué grupo pertenece el magnesio?

2612

2512

2412

Existen metales muy densos; en cambio, otros tienen baja densidad, algunos son blandos y otros tienen una gran dureza.Indicá tres metales de elevada densidad, tres de baja densidad, tres blandos y tres muy duros.

Clasificá los elementos siguientes en metales, no metales y semimetales: litio, yodo, uranio, vanadio, carbono, selenio, fós-foro, lantanio y bismuto.

Completá la siguiente tabla:

N.º atómico N.º de masa N.º de protones N.º de neutrones N.º de electrones Símbolo del isótopo del elemento

___ ___ ___ ___ ___ Sr

___ ___ 26 30 ___ ___

___ 14 ___ ___ 7 ___

___ 81 35 ___ ___ ___

Explicá lo que se pretende indicar al escribir: Na+, Br , Ca2+, Al3+, S2–, SO.

– 2–4

8838

36

37

38

39

ACT I V IDADES DE S Í N T ES I S

ACT I V IDADES F I NALES

23

Origen del nombrede algunos elementos

Son muy diversos los orígenes de los nombres de los elementos químicos.Veamos unos ejemplos: algunos nombres proceden del latín o del griego. Así,el cobre proviene del latín cuprum; el bario, del griego barys; el hierro, del latínferrum; el carbono, del griego carbonis; el hidrógeno, de las palabras griegashidros (agua) y gen (productor); y el helio, del griego helios (Sol), porque se des-cubrió en el espectro de la luz solar.

Otros llevan el nombre del mineral que contiene el elemento en mayor can-tidad; así, el nitrógeno recibe el nombre de su mineral, el nitro, y el berilio lorecibe de su mineral, el berilo.

Los nombres de algunos elementos hacen referencia a sus propiedades;cloro procede del griego khlorós (“color verde”), mientras que bromo lo hacedel griego bromós (“mal olor”).

Los nombres de lugar o topónimos caracterizan la denominación de algunoselementos. Así, el galio recibe este nombre porque se descubrió en Francia; elgermanio, porque se descubrió en Alemania; mientras que el polonio se llamaasí en honor de Polonia, patria de Marie Curie. El nombre de renio, por su parte,viene de Rhenus, el río Rin; y el de iterbio, de la localidad sueca de Ytterby. Porotro lado, los nombres del europio y del americio nos recuerdan los dos conti-nentes. Berkelio viene de Berkeley, Universidad de California.

También hay nombres de la mitología. Por ejemplo, vanadio, viene de ladiosa escandinava de la belleza, Vanadis, y prometio, de Prometeo, titán querobó el fuego del Olimpo y se lo dio a los hombres.

Algunos llevan nombres de personas ilustres relacionadas con el mundo dela ciencia: el curio se llama así en honor del matrimonio Curie; el nobelio enhonor de Alfred Nobel; el einstenio, en honor de Albert Einstein; el mendelevio,en honor de Mendeléiev; bohrio, en honor de Niels Bohr; rutherfordio, en honorde Rutherford, etc.

El nombre en castellano de algunos elementos y su símbolo correspon-diente no guardan similitud. Así, el hierro procede del latín ferrum, y por ello susímbolo es Fe.

El cobre procede del latín cuprum, por lo que su símbolo es Cu.

Albert Einstein (.) Premio Nobel de Físicaen 1921.

Sir Ernest Rutheford (1871-1937). PremioNobel de Química en 1919.

Buscá en un libro de química, en una enciclopedia o en Internet el origen de lossímbolos de los siguientes elementos:

Potasio K Oro AuPlata Ag Estaño SnMercurio Hg Plomo PbAzufre S Antimonio SbSodio Na

ciencia , técnica y sociedad

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