objetivos de aprendizaje
al final de esta sección, podrá:
- discutir las relaciones entre la materia, la masa, los elementos, los compuestos, los átomos y las partículas subatómicas
- distinguir entre el número atómico y el número de masa
- Identificar la distinción clave entre isótopos del mismo elemento
- explicar cómo los electrones ocupan para la estabilidad relativa de un átomo
la sustancia del Universo—desde un grano de arena hasta una estrella—se llama materia., Los científicos definen la materia como cualquier cosa que ocupa espacio y tiene masa. La masa y el peso de un objeto son conceptos relacionados, pero no lo mismo. La masa de un objeto es la cantidad de materia contenida en el objeto, y es la misma si ese objeto está en la tierra o en el entorno de gravedad cero del espacio exterior. El peso de un objeto, por otro lado, es su masa afectada por la atracción de la gravedad. El peso de un objeto es mayor cuando la atracción de la gravedad es más fuerte que cuando la gravedad es menos fuerte., Por ejemplo, un objeto de cierta masa pesa menos en la Luna que en la Tierra porque la gravedad de la luna es menor que la de la Tierra. En otras palabras, el peso es variable y está influenciado por la gravedad. Un pedazo de queso que pesa una libra en la Tierra pesa solo unas pocas onzas en la luna.
elementos y compuestos
toda la materia en el mundo natural se compone de una o más de las 92 sustancias fundamentales llamadas elementos. Un elemento es una sustancia pura que se distingue de toda otra materia por el hecho de que no puede ser creada o descompuesta por medios químicos ordinarios., Si bien su cuerpo puede ensamblar muchos de los compuestos químicos necesarios para la vida a partir de sus elementos constitutivos, no puede fabricar elementos. Deben provenir del medio ambiente. Un ejemplo familiar de un elemento que debe tomar es el calcio (Ca++). El calcio es esencial para el cuerpo humano; se absorbe y se utiliza para una serie de procesos, incluido el fortalecimiento de los huesos. Cuando consume productos lácteos, su sistema digestivo descompone los alimentos en componentes lo suficientemente pequeños como para pasar al torrente sanguíneo. Entre ellos está el calcio, que, debido a que es un elemento, no se puede descomponer más., El calcio elemental en el queso, por lo tanto, es el mismo que el calcio que forma los huesos. Algunos otros elementos con los que puede estar familiarizado son el oxígeno, el sodio y el hierro. Los elementos del cuerpo humano se muestran en la figura 2.1.1, comenzando por los más abundantes: oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). El nombre de cada elemento puede ser reemplazado por un símbolo de una o dos letras; usted se familiarizará con algunos de estos durante este curso. Todos los elementos en su cuerpo se derivan de los alimentos que come y el aire que respira.,
en la naturaleza, los elementos rara vez ocurren solos. En cambio, se combinan para formar compuestos. Un compuesto es una sustancia compuesta de dos o más elementos unidos por enlaces químicos. Por ejemplo, el compuesto glucosa es un combustible corporal importante. Siempre se compone de los mismos tres elementos: carbono, hidrógeno y oxígeno., Además, los elementos que componen cualquier compuesto dado siempre ocurren en las mismas cantidades relativas. En la glucosa, siempre hay seis unidades de carbono y seis de oxígeno por cada doce unidades de hidrógeno. Pero, ¿qué son exactamente estas «unidades» de elementos?
átomos y partículas subatómicas
un átomo es la cantidad más pequeña de un elemento que conserva las propiedades únicas de ese elemento. En otras palabras, un átomo de hidrógeno es una unidad de hidrógeno-la menor cantidad de hidrógeno que puede existir. Como se puede adivinar, los átomos son casi insondablemente pequeños., El período al final de esta oración tiene millones de átomos de ancho.
Estructura Atómica y energía
Los átomos se componen de partículas subatómicas aún más pequeñas, que incluyen tres tipos importantes: el protón, el neutrón y el electrón. El número de protones cargados positivamente y neutrones no cargados («neutros»), da masa al átomo, y el número de cada uno en el núcleo del átomo determina el elemento. El número de electrones cargados negativamente que» giran » alrededor del núcleo a una velocidad cercana a la de la luz es igual al número de protones., Un electrón tiene aproximadamente 1/2000 de la masa de un protón o neutrón.
La Figura 2.1.2 muestra dos modelos que pueden ayudarle a imaginar la estructura de un átomo-en este caso, el helio (He). En el modelo planetario, los dos electrones del helio se muestran rodeando el núcleo en una órbita fija representada como un anillo. Aunque este modelo es útil para visualizar la estructura atómica, en realidad, los electrones no viajan en órbitas fijas, sino que giran erráticamente alrededor del núcleo en una llamada nube de electrones.
los protones y electrones de un átomo llevan cargas eléctricas. Los protones, con su carga positiva, son designados p+. Los electrones, que tienen una carga negativa, se denominan e -., Los neutrones de un átomo no tienen carga: son eléctricamente neutros. Así como un imán se pega a un refrigerador de acero porque sus cargas opuestas se atraen, los protones cargados positivamente atraen a los electrones cargados negativamente. Esta atracción mutua le da al átomo cierta estabilidad estructural. La atracción por el núcleo cargado positivamente ayuda a mantener los electrones lejos. El número de protones y electrones dentro de un átomo neutro es igual, por lo tanto, la carga total del átomo está equilibrada.,
número atómico y número de masa
un átomo de carbono es exclusivo del carbono, pero un protón de carbono no lo es. Un protón es lo mismo que otro, ya sea que se encuentre en un átomo de carbono, sodio (Na) o hierro (Fe). Lo mismo es cierto para neutrones y electrones. Entonces, ¿qué le da a un elemento sus propiedades distintivas: qué hace que el carbono sea tan diferente del sodio o el hierro? La respuesta es la cantidad única de protones que contiene cada uno. El carbono por definición es un elemento cuyos átomos contienen seis protones. Ningún otro elemento tiene exactamente seis protones en sus átomos., Además, todos los átomos de carbono, ya sea que se encuentren en el hígado o en un trozo de carbón, contienen seis protones. Así, el número atómico, que es el número de protones en el núcleo del átomo, identifica el elemento. Dado que un átomo generalmente tiene el mismo número de electrones que los protones, el número atómico identifica el número habitual de electrones también.
en su forma más común, muchos elementos también contienen el mismo número de neutrones que los protones. La forma más común de carbono, por ejemplo, tiene seis neutrones y seis protones, para un total de 12 partículas subatómicas en su núcleo., El número de masa de un elemento es la suma del número de protones y neutrones en su núcleo. Así que la forma más común del número de masa de carbono es 12. Los electrones tienen tan poca masa que no contribuyen apreciablemente a la masa de un átomo. El carbono es un elemento relativamente ligero; el uranio (U), en contraste, tiene un número de masa de 238 y se conoce como un metal pesado. Su número atómico es 92 (tiene 92 protones)pero contiene 146 neutrones; tiene la mayor masa de todos los elementos naturales.
la Tabla periódica de los elementos, mostrada en la Figura 2.1.,3, es un gráfico que identifica los 92 elementos encontrados en la naturaleza, así como varios elementos más grandes e inestables descubiertos experimentalmente. Los elementos están dispuestos en orden de su número atómico, con hidrógeno y helio en la parte superior de la tabla, y los elementos más masivos a continuación. La Tabla periódica es un dispositivo útil porque para cada elemento, identifica el símbolo químico, el número atómico y el número de masa, mientras organiza los elementos de acuerdo con su propensión a reaccionar con otros elementos. El número de protones y electrones en un elemento es igual., El número de protones y neutrones puede ser igual para algunos elementos, pero no son iguales para todos.
sitio Web Externo
Visite este sitio web para la vista de la tabla periódica. En la Tabla periódica de los elementos, los elementos de una sola columna tienen el mismo número de electrones que pueden participar en una reacción química., Estos electrones se conocen como «electrones de Valencia».»Por ejemplo, todos los elementos de la primera columna tienen un solo electrón de Valencia, un electrón que puede ser «donado» en una reacción química con otro átomo. ¿Cuál es el significado de un número de masa mostrado entre paréntesis?
isótopos
aunque cada elemento tiene un número único de protones, puede existir como diferentes isótopos. Un isótopo es una de las diferentes formas de un elemento, que se distingue entre sí por diferentes números de neutrones. El isótopo estándar del carbono es 12c, comúnmente llamado carbono doce., 12C tiene seis protones y seis neutrones, para un número de masa de doce. Todos los isótopos de carbono tienen el mismo número de protones; por lo tanto, 13C tiene siete neutrones, y 14C tiene ocho neutrones. Los diferentes isótopos de un elemento también se pueden indicar con el número de masa dividido (por ejemplo, C-12 en lugar de 12C). El hidrógeno tiene tres isótopos comunes, como se muestra en la figura 2.1.4.
un isótopo que contiene más del número habitual de neutrones se conoce como un isótopo pesado. Un ejemplo es 14C. los isótopos pesados tienden a ser inestables, y los isótopos inestables son radiactivos. Un isótopo radiactivo es un isótopo cuyo núcleo se descompone fácilmente, emitiendo partículas subatómicas y energía electromagnética., Los diferentes isótopos radiactivos (también llamados radioisótopos) difieren en su vida media, el tiempo que tarda la mitad de una muestra de cualquier tamaño de un isótopo en decaer. Por ejemplo, la vida media del tritio-un radioisótopo de hidrógeno—es de aproximadamente 12 años, lo que indica que la mitad de los núcleos de tritio en una muestra tarda 12 años en decaer. La exposición excesiva a isótopos radiactivos puede dañar las células humanas e incluso causar cáncer y defectos de nacimiento, pero cuando se controla la exposición, algunos isótopos radiactivos pueden ser útiles en la medicina. Para obtener más información, consulte Conexiones profesionales.,
conexiones profesionales-radiólogo intervencionista
el uso controlado de radioisótopos tiene un diagnóstico médico avanzado y tratamiento de la enfermedad. Los radiólogos intervencionistas son médicos que tratan la enfermedad mediante el uso de técnicas mínimamente invasivas que involucran radiación. Muchas afecciones que antes solo podían tratarse con una operación prolongada y traumática ahora se pueden tratar sin cirugía, lo que reduce el costo, el dolor, la duración de la hospitalización y el tiempo de recuperación para los pacientes., Por ejemplo, en el pasado, las únicas opciones para un paciente con uno o más tumores en el hígado eran la cirugía y la quimioterapia (la administración de medicamentos para tratar el cáncer).
algunos tumores hepáticos, sin embargo, son difíciles de acceder quirúrgicamente, y otros podrían requerir que el cirujano extirpe demasiado del hígado; la quimioterapia es altamente tóxica para el hígado, y ciertos tumores no responden bien a ella. En algunos de estos casos, un radiólogo intervencionista puede tratar los tumores interrumpiendo su suministro de sangre, que necesitan para seguir creciendo., En este procedimiento, llamado radioembolización, el radiólogo accede al hígado con una aguja fina, roscada a través de uno de los vasos sanguíneos del paciente. Luego, el radiólogo inserta diminutas «semillas» radiactivas en los vasos sanguíneos que irrigan los tumores. En los días y semanas posteriores al procedimiento, la radiación emitida por las semillas destruye los vasos y mata directamente las células tumorales en las proximidades del tratamiento.
los radioisótopos emiten partículas subatómicas que pueden ser detectadas y rastreadas por tecnologías de imágenes., Uno de los usos más avanzados de los radioisótopos en medicina es el escáner de tomografía por emisión de positrones (PET), que detecta la actividad en el cuerpo de una inyección muy pequeña de glucosa radiactiva, el azúcar simple que las células utilizan para obtener energía. La cámara de la mascota muestra al equipo médico cuál de los tejidos del paciente está absorbiendo la mayor cantidad de glucosa. Así, los tejidos metabólicamente más activos aparecen como «puntos calientes» brillantes en las imágenes (figura 2.1.5). El PET puede revelar algunas masas cancerosas porque las células cancerosas consumen glucosa a un ritmo alto para alimentar su rápida reproducción.,
El Comportamiento de los Electrones
En el cuerpo humano, los átomos no existen como entidades independientes. Más bien, están constantemente reaccionando con otros átomos para formar y descomponer sustancias más complejas., Para comprender completamente la anatomía y la fisiología, debe comprender cómo los átomos participan en tales reacciones. La clave es entender el comportamiento de los electrones.
aunque los electrones no siguen órbitas rígidas a una distancia determinada del núcleo del átomo, tienden a permanecer dentro de ciertas regiones del espacio llamadas cáscaras de electrones. Una capa de electrones es una capa de electrones que rodea el núcleo a un nivel de energía distinto.,
los átomos de los elementos que se encuentran en el cuerpo humano tienen de una a cinco capas de electrones,y todas las capas de electrones tienen ocho electrones excepto la primera capa, que solo puede contener dos. Esta configuración de las capas de electrones es la misma para todos los átomos. El número exacto de capas depende del número de electrones en el átomo. El hidrógeno y el helio tienen solo uno y dos electrones, respectivamente., Si echa un vistazo a la Tabla periódica de los elementos, notará que el hidrógeno y el helio se colocan solos a ambos lados de la fila superior; son los únicos elementos que tienen una sola capa de electrones (figura 2.1.6). Una segunda capa es necesaria para mantener los electrones en todos los elementos más grandes que el hidrógeno y el helio.
El litio (Li), cuyo número atómico es 3, tiene tres electrones. Dos de ellos llenan la primera capa de electrones, y el tercero se derrama en una segunda capa. La segunda capa de electrones puede acomodar hasta ocho electrones., El carbono, con sus seis electrones, llena completamente su primera capa, y llena a la mitad su segunda. Con diez electrones, el neón (Ne) llena completamente sus dos capas de electrones. Una vez más, un vistazo a la Tabla periódica revela que todos los elementos en la segunda fila, desde el litio hasta el neón, tienen solo dos capas de electrones. Los átomos con más de diez electrones requieren más de dos conchas. Estos elementos ocupan la tercera y siguientes filas de la Tabla periódica.
el factor que gobierna más fuertemente la tendencia de un átomo a participar en reacciones químicas es el número de electrones en su envoltura de Valencia. Una capa de Valencia es la capa de electrones más externa de un átomo. Si la capa de Valencia está llena, el átomo es estable, lo que significa que es poco probable que sus electrones sean alejados del núcleo por la carga eléctrica de otros átomos. Si la cáscara de Valencia no está llena, el átomo es reactivo, lo que significa que tenderá a reaccionar con otros átomos de maneras que hacen que la cáscara de Valencia esté llena., Consideremos el hidrógeno, con su electrón solo llenando a medias su cáscara de Valencia. Es probable que este electrón sea atraído a las relaciones con los átomos de otros elementos, de modo que la capa de Valencia única del hidrógeno pueda ser estabilizada.
Todos los átomos (excepto el hidrógeno y el helio con sus capas de electrones individuales) son más estables cuando hay exactamente ocho electrones en su capa de Valencia. Este principio se conoce como la regla del octeto, y establece que un átomo renunciará, ganará o compartirá electrones con otro átomo para que termine con ocho electrones en su propia envoltura de Valencia., Por ejemplo, el oxígeno, con seis electrones en su capa de Valencia, es probable que reaccione con otros átomos de una manera que resulte en la adición de dos electrones a la capa de Valencia del oxígeno, llevando el número a ocho. Cuando dos átomos de hidrógeno comparten su electrón único con oxígeno, se forman enlaces covalentes, lo que resulta en una molécula de agua, H2O.
en la naturaleza, los átomos de un elemento tienden a unirse con átomos de otros elementos de maneras características. Por ejemplo, el carbono comúnmente llena su cáscara de Valencia enlazándose con cuatro átomos de hidrógeno., Al hacerlo, los dos elementos forman la más simple de las moléculas orgánicas-metano-que también es uno de los compuestos que contienen carbono más abundantes y estables en la Tierra. Como se mencionó anteriormente, otro ejemplo es el agua; el oxígeno necesita dos electrones para llenar su envoltura de Valencia. Comúnmente interactúa con dos átomos de hidrógeno, formando H2O. Incidentalmente, el nombre «hidrógeno» refleja su contribución al agua (hydro- = «agua»; -gen = «fabricante»). Por lo tanto, el hidrógeno es el «fabricante de agua.,»
revisión del Capítulo
el cuerpo humano se compone de elementos, los más abundantes de los cuales son oxígeno (O), carbono (C), hidrógeno (H) y nitrógeno (N). Obtienes estos elementos de los alimentos que comes y del aire que respiras. La unidad más pequeña de un elemento que conserva todas las propiedades de ese elemento es un átomo. Los átomos contienen muchas partículas subatómicas, las tres más importantes de las cuales son protones, neutrones y electrones., Estas partículas no varían en calidad de un elemento a otro; más bien, lo que le da a un elemento su identificación distintiva es la cantidad de sus protones, llamado su número atómico. Los protones y neutrones contribuyen casi toda la masa de un átomo; el número de protones y neutrones es el número de masa de un elemento. Versiones más pesadas y más ligeras del mismo elemento pueden ocurrir en la naturaleza porque estas versiones tienen diferentes números de neutrones. Diferentes versiones de un elemento se llaman isótopos.,
la tendencia de un átomo a ser estable o a reaccionar fácilmente con otros átomos se debe en gran medida al comportamiento de los electrones dentro de la capa de electrones más externa del átomo, llamada capa de Valencia. El helio, así como los átomos más grandes con ocho electrones en su envoltura de Valencia, es poco probable que participen en las reacciones químicas porque son estables. Todos los demás átomos tienden a aceptar, donar o compartir electrones en un proceso que lleva a los electrones en su envoltura de Valencia a ocho (o en el caso del hidrógeno, a dos).,
preguntas de enlaces interactivos
visite este sitio web para ver la Tabla periódica. En la Tabla periódica de los elementos, los elementos de una sola columna tienen el mismo número de electrones que pueden participar en una reacción química. Estos electrones se conocen como «electrones de Valencia».»Por ejemplo, todos los elementos de la primera columna tienen un solo electrón de Valencia – un electrón que puede ser «donado» en una reacción química con otro átomo. ¿Cuál es el significado de un número de masa mostrado entre paréntesis?,
El número de masa es el número total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
Preguntas de Repaso
Pensamiento Crítico Preguntas
Los elementos más abundantes en los alimentos y bebidas que usted consume son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno. ¿Por qué podría ser útil tener estos elementos en consumibles?,
Estos cuatro elementos—oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno—juntos constituyen más del 95 por ciento de la masa del cuerpo humano, y el cuerpo no puede fabricar elementos, por lo que es útil tenerlos en consumibles.
el oxígeno, cuyo número atómico es ocho, tiene tres isótopos estables: 16O, 17o y 18o. explique lo que esto significa en términos del número de protones y neutrones.
el Oxígeno tiene ocho protones. En su forma estable más abundante, tiene ocho neutrones, también, para un número de masa de 16. En contraste, 17O tiene nueve neutrones, y 18O tiene 10 neutrones.,
El magnesio es un elemento importante en el cuerpo humano, especialmente en los huesos. El número atómico del magnesio es 12. Es estable o reactivo? ¿Por qué? Si fuera a reaccionar con otro átomo, sería más probable para aceptar o donar uno o más electrones?
Los 12 electrones del magnesio se distribuyen de la siguiente manera: dos en la primera capa, ocho en la segunda capa y dos en su capa de Valencia. Según la regla del octeto, el magnesio es inestable (reactivo) porque su envoltura de Valencia tiene solo dos electrones., Por lo tanto, es probable que participe en reacciones químicas en las que dona dos electrones.,ND en el núcleo del átomo Tabla periódica de los elementos disposición de los elementos en una tabla de acuerdo con su número atómico; elementos que tienen propiedades similares debido a sus arreglos de electrones componen columnas en la tabla, mientras que los elementos que tienen el mismo número de capas de Valencia componen filas en la tabla protón partícula subatómica pesada que tiene una carga positiva y se encuentra en el núcleo del átomo isótopo radiactivo inestable, isótopo pesado que emite partículas subatómicas, o energía electromagnética, a medida que se descompone; también llamado radioisótopos
