Elementos y átomos

¿Existen sustancias 100% puras? ¿Qué hay dentro de estas sustancias puras? Por ejemplo, consideremos el oro puro. ¿Qué hay dentro del oro? ¿Es posible separar el oro en sustancias más pequeñas? ¿Qué hay dentro del agua que bebemos?.

El oro y el agua son categorías de sustancias muy diferentes. El oro se considera un elemento mientras que el agua se considera un compuesto. Por tanto, una sustancia pura puede ser un elemento o un compuesto. Un compuesto tiene dos o más elementos unidos químicamente en proporciones exactas.

El agua se compone de dos partes con el elemento hidrógeno y una parte con el elemento oxígeno. La sal se compone de una parte de sodio y una parte de cloro. El amoniaco se compone de una parte de nitrógeno y cuatro partes de hidrógeno.

Esta composición no cambia, independientemente de si el agua proviene de un grifo en Estados Unidos, del río Yangtze en China o de los casquetes polares de Marte. Para obtener elementos de los compuestos es necesario utilizar un método químico. La mayoría de los elementos, una vez que interactúan con uno o más elementos, forman un compuesto.

Este es un resumen de lo que hemos estudiado hasta ahora. La materia es una mezcla o una sustancia pura. Las mezclas son homogéneas o heterogéneas. Las mezclas se pueden separar en sustancias puras mediante el uso de medios físicos. Las sustancias puras son compuestos o simplemente elementos.

Entonces ¿qué son realmente los elementos? ¿Cuántos elementos hay en el mundo? Hay 118 elementos en la tabla periódica moderna. Todo en este mundo, incluyéndonos a ti y a mí, está hecho de estos elementos. Los químicos utilizan el alfabeto para representar estos elementos. La primera letra del símbolo de un elemento siempre es mayúscula, pero la segunda letra nunca es mayúscula.

Los símbolos generalmente corresponden a su nombre real. Sin embargo, algunos símbolos de algunos elementos se derivan de sus nombres latinos. Algunos ejemplos son aurum para oro, ferrum para hierro, natrium para sodio.

Repasemos algunas de las preguntas que analizamos antes. ¿Por qué algunas sustancias producen burbujas? ¿Por qué algunas sustancias liberan gas cuando se mezclan con otras sustancias? ¿Por qué algunas sustancias explotan al combinarse con otras sustancias químicas?.

Para resolver esto, veamos otras dos cosas. Las sustancias también pueden identificarse por sus propiedades así como por su composición. ¿Cuáles son las propiedades de la materia? Las propiedades de la materia son el color, el punto de fusión, el punto de ebullición y la densidad. Éstas son propiedades físicas.

Una propiedad física se puede medir y observar sin cambiar la composición o identidad de una sustancia. Por ejemplo, podemos medir el punto de fusión del hielo calentando un bloque de hielo y registrando la temperatura a la que el hielo se convierte en agua. El agua se diferencia del hielo sólo en la apariencia. Ambos tienen la misma composición. Por lo tanto se trata de un cambio físico. Podemos congelar el agua para recuperar el hielo original. Por lo tanto, la temperatura de fusión del agua es un atributo físico.

Por otro lado, una propiedad química produce un cambio en la estructura y composición. En otras palabras realizamos un cambio químico. La afirmación “El gas hidrógeno se quema en gas oxígeno para formar agua” describe una propiedad química. En este caso este cambio químico se llama quema. Después del cambio, las sustancias originales, hidrógeno y oxígeno, habrán desaparecido y una sustancia químicamente diferente, el agua, habrá ocupado su lugar. No podemos recuperar hidrógeno y oxígeno del agua mediante un cambio físico como hervirla o congelarla.

Por ejemplo, cada vez que hervimos un huevo, producimos un cambio químico. Al someterlas a calor, la yema y la clara del huevo sufren reacciones que alteran no sólo su apariencia física sino también su composición química. Una vez ingerido, el huevo se transforma nuevamente mediante enzimas. Este proceso digestivo es otro ejemplo de cambio químico. Lo que sucede durante dicho proceso depende de las propiedades químicas de las enzimas específicas y del alimento involucrado.

Entonces, ¿cuál es realmente la estructura de un compuesto? Un compuesto está formado por muchos elementos. Agrupamos diferentes tipos de átomos utilizando el término elemento. En el siglo V aC, el filósofo griego Demócrito expresó una idea. Dijo que toda la materia está formada por partículas muy pequeñas e indivisibles. Mucha gente no aceptó esa idea. Sin embargo, se convirtió en la base del átomo. Fue en 1808 cuando otro científico propuso una definición precisa de los componentes indivisibles de la materia.

La idea del científico Dalton marcó el inicio de la química moderna. Sugirió lo siguiente:. Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. Los átomos de un elemento dado son idénticos en tamaño, masa y otras propiedades. Los átomos de diferentes elementos difieren en tamaño, masa y otras propiedades.

No pueden ser subdivididos, creados o destruidos. Los átomos de diferentes elementos se combinan en proporciones simples de números enteros para formar compuestos químicos. En una reacción química les puede pasar lo siguiente a los átomos:. Se pueden combinar entre sí. Se pueden separar unos de otros. Se pueden reorganizar entre sí.

¿Son los átomos irrompibles? Un científico llamado JJ Thomson investigó un rayo llamado rayo catódico utilizando un tubo de Crookes. Es un recipiente de vidrio selladoEn el interior hay un vacío y hay dos electrodos. Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, se generan rayos catódicos. Golpean el vidrio en el extremo opuesto del tubo y producen un brillo en ese punto.

Descubrió que la trayectoria de los rayos podía modificarse mediante un campo eléctrico. Concluyó que estos rayos estaban compuestos de partículas muy ligeras con carga negativa. Midió su relación masa-carga. Descubrió que era 1800 veces más pequeño que el hidrógeno. El hidrógeno es el átomo más pequeño. Si los electrones son más pequeños que los átomos más pequeños, deben ser partes de átomos.

Thomson ideó la representación de Plum Pudding. Dijo que los átomos son frágiles. Un átomo tiene estructura. Electrones suspendidos en un campo eléctrico cargado positivamente. Debe tener carga positiva para igualar la carga negativa de los electrones y hacer que el átomo sea neutral. La masa del átomo se debe a sus electrones. Un átomo es en su mayor parte espacio vacío en comparación con el tamaño de un electrón. Esto nos lleva al experimento de la lámina de oro de Rutherford.

¿Cómo puedes demostrar que algo está vacío? Utilizó como objetivo una lámina hecha de átomos grandes. Era una lámina muy fina. Luego utilizó partículas muy pequeñas como balas para disparar al papel de aluminio. Las partículas tenían alta energía. Si fueran muy pequeños en peso, entonces los electrones del átomo podrían afectarlo. Por lo tanto, tenían que ser más pesados que los electrones. Por eso utilizó partículas alfa como bala y una fina lámina de oro. Las partículas alfa tienen una masa de 4 unidades de masa atómica. El oro tiene una masa de 197 unidades de masa atómica. El oro es muy maleable.

Aproximadamente el 0,01% de las partículas rebotaron en la lámina de oro. Aproximadamente el 2% de las partículas atravesaron la lámina, pero fueron desviadas en ángulos grandes. Más del 98% de las partículas alfa atravesaron directamente la lámina de oro sin desviarse.

El átomo moderno. Sabemos que los átomos están compuestos de tres partes principales: protones, neutrones y electrones. El núcleo contiene protones y neutrones. El núcleo mide sólo unos 10-13 cm de diámetro.

Los electrones se mueven fuera del núcleo. Su distancia media es de unos 10^-8 cm. Por lo tanto, el radio del átomo es aproximadamente 10^5 veces mayor que el radio del núcleo.

El estudio de la química depende en gran medida de la medición. Por ejemplo, los químicos utilizan mediciones para comparar las propiedades de diferentes sustancias y evaluar los cambios resultantes de un experimento. Pero ¿cómo medimos las propiedades de la materia? Los elementos y compuestos son extremadamente pequeños. ¿Qué unidades de medida se pueden utilizar?.

Todas las propiedades mensurables de la materia se pueden clasificar en dos categorías. Propiedades extensivas e intensivas. Las propiedades extensivas de la materia tratan sobre cantidades como la masa, la longitud y el volumen. Las propiedades intensivas de la materia no dependen de la cantidad de materia considerada. Un buen ejemplo de ello es la temperatura.

Para ello, la Conferencia General de Pesas y Medidas, autoridad internacional en materia de unidades, propone un sistema métrico denominado Sistema Internacional de Unidades. En la tabla se representan las siete unidades del SI. Quizás ya estés familiarizado con algunos de estos.

Todas las unidades del sistema métrico están relacionadas con la unidad fundamental por una potencia matemática de 10. La potencia de 10 se indica mediante un prefijo. Los prefijos son siempre los mismos, independientemente de la unidad fundamental. Un ejemplo es el kilogramo, que mide la masa, y el kilómetro, que mide la distancia. Ahora que sabemos más sobre los átomos, su tamaño y composición, podemos estudiar química más a fondo.