El aprendiz de alquimista: tabla periódica

En una gota de agua de tamaño normal, suele haber unas 1672800000000000000000 moléculas. Trabajar con unidades de tanta magnitud no es cómodo, ni usando notación científica. Por ello, se usa el concepto de mol.

“Un mol son 602300000000000000000000 átomos/moléculas/iones”

En notación científica: 6,023 x 10 ²³. Este número se conoce como número de Avogadro.

Para calcular moles:

masa (g)

moles = ____________

masa molar (g/mol)

Aunque se aplica en Química, se puede aplicar a cualquier otra cosa: tornillos, árboles, e incluso personas, aunque al tratarse de una unidad muy grande, no es práctico. 1 mol de personas sería
602300000000000000000000 personas. Como curiosidad, aproximadamente, han nacido en la Tierra 106456367669 personas desde los primeros hombres, o sea, han nacido 0'00000000000017675 moles de personas en unos 52000 años.

[1] Se tienen 5609100000000000000000000 átomos de hierro. ¿Cuántos moles de hierro tenemos?

Es una simple regla de tres:

       1 mol                     6,023 x 10 ²³
_____________   =   __________________

           x                       5,6091 x 10 ²⁴

^{x = 9'3128 moles de hierro (Fe)}

^{[2] ¿Cuántos moles de agua hay en una gota de agua?}

^{Es el mismo procedimiento que en [1], pero con el dato de al principio de la lección:}

       1 mol                     6,023 x 10 ²³
_____________   =   __________________

           x                       1'6728 x 10 ²¹

^{x = 0'002777 moles de agua (H2O)}

^{La masa de 1 mol de un átomo/molécula/ión se conoce como masa molar. La masa moles se da en g/mol.}

^{La masa molar coincide en valor con la masa atómica.}

^{Esta sería la casilla del nitrógeno en una Tabla Periódica completa. Sin ánimo de meterme mucho en conceptos, decir que:}

^{7 es el número atómico}
^{14'0067 es la masa atómica}
^{1, 2, 3, -3, 4, 5 son las valencias}
^{-183 ºC es el punto de ebullición}
^{-218'8 ºC es el punto de fusión}
^{0'81 es el radio atómico}
^{N es el símbolo}
^{Nitrógeno es el nombre}
^{1s2-2s2-2p3 es la configuración electrónica}

Nombrado queda. Ahora vamos a centrarnos en la masa atómica, la masa de un átomo de nitrógeno, que es 14'0067, pero, ¿qué? ¿Gramos? ¿Kilogramos? ¿Toneladas? La unidad en la que viene expresada la masa atómica es uma (unidad de masa atómica).

Para hacernos una idea de su magnitud (está claro que al tratarse de la masa de átomos debe ser muy pequeña):

1 uma = 0'00000000000000000000000166 (1'66 x 10 ^-24) gramos

Otra manera de verlo es que 1 hormiga pesa 3012000000000000000 umas.

Esta equivalencia no hay que aprendérsela, solo la he puesto para que se vea que es muy, pero que muy pequeña.

La uma es un gran invento, ya que (como he mencionado) hace que el valor de la masa atómica sea igual al valor que la masa molar.

Pero OJO, solo el valor, obviamente la masa de un átomo (masa atómica) no va a ser lo mismo que la masa de 602300000000000000000000 átomos (masa molar). El valor es el mismo, las unidades no, la masa atómica se mide en uma y la molar en g/mol.

Por ejemplo, en el caso del cobre:

masa atómica Cu = 63'5 uma
masa molar Cu = 63'5 gramos

El valor es el mismo, 63'5, pero las unidades no. De hecho, si pasamos a uma a gramos, 63'5 uma = 0'00000000000000000000010541 gramos, y estos gramos no son lo mismo que 63'5 gramos.

[3] Halla la masa molar del argón.

Como vemos, la masa atómica es de 39'948 uma.

Dijimos el masa atómica y molar coincidían en valor, luego la masa molar será 39'948. Pero, ¿qué?

La masa molar se da en g/mol, luego:

mm = 39'948 g/mol

[4] Halla la masa molecular del H2O (agua).

Lo primero que vamos a hacer es extraer los datos de las masas atómicas del hidrógeno y el oxígeno:

masa atómica hidrógeno = 1'00797 uma

masa atómica oxígeno = 15'9994 uma

Una molécula de agua tiene 2 hidrógeno y 1 oxígeno, luego:

masa MOLECULAR agua = 2 · masa atómica hidrógeno + masa atómica oxígeno = 2 · (1'00797) + 15'9994 = 18'01534 uma

Como dijimos, el valor de la masa molecular (ya que hablamos de la molécula de agua, y no de un átomo) coincide con el de la masa molar. Luego el valor de la masa molar del agua será 18'01534.

Pero, ¿qué? Como es masa molar, la expresamos en g/mol.

Luego:

masa molar agua = 18'01534 g/mol

[5] ¿Cuántos átomos hay en 2 gramos de oro?

Si miramos en la Tabla Periódica:

masa atómica oro = 196'967 uma

masa molar oro = 196'967 g/mol

O sea, 1 mol pesan 196'967 gramos. Luego si tenemos 2 gramos (regla de tres):

    1 mol 196'967 gramos
___________   = ____________________

x 2 gramos

x = 0'010154 moles

Sabemos que en 1 mol hay 6,023 x 10 ²³átomos de oro, luego en 0'010154 moles (regla de tres):

   1 mol 6,023 x 10 ²³ átomos de oro
______________    = ____________________________

0'010154 moles x

x = 6,116 x 10 ²¹átomos de oro (Au)

[6] ¿Cuánto pesan 5 x 10 ²⁰ moléculas de dióxido de carbono?

Sabemos que en 1 mol hay 6,023 x 10 ²³átomos de oro, luego 5 x 10 ²⁰moléculas serán la que tienen (regla de tres):

   1 mol 6,023 x 10 ²³ moléculas de dióxido de carbono
______________    = ______________________________________________

   x    5 x 10 ²⁰moléculas de dióxido de carbono

x = 0'00083 moles

Ahora:

masa molecular dióxido de carbono = 44'01 uma
masa molar dióxido de carbono = 44'01 g/mol

O sea, 1 mol de dióxido de carbono pesa 44'01 gramos. Luego 0'00083 moles (regla de tres):

   1 mol 44'01 gramos
______________ = ____________________

0'00083 moles    x

x = 0'036535 gramos de dióxido de carbono (CO2)

ALGUNOS EJERCICIOS PARA PRACTICAR

La Tabla Periódica, es una manera de organizar a todos los elementos de manera lógica (aunque probablemente aún no le ves esa lógica). Se han sugerido muchas tablas periódicas, pero se han ido descartando por erróneas o por ser poco intuitivas (sí, han habido tablas periódicas más difíciles de interpretar que esta).

Surge ahora la pregunta, ¿qué son los elementos? Los elementos son tipos de átomos, con la misma estructura, propiedades y comportamiento.

Los elementos de una misma columna de la Tabla Periódica tienen propiedades más o menos parecidas, lo cual se explica con conocimientos un poco más avanzados de Química, y esta semejanza es uno de los “pro” de la Tabla Periódica que se usa en la actualidad.

Los átomos son estructuras formadas por tres partículas subatómicas: protones, neutrones (que se encuentran en el núcleo) y electrones (que siguen órbitas entorno al núcleo, al conjunto de órbital se le denomina corteza).

Se podría hacer una analogía con el Sistema Solar, el núcleo (protones + neutrones) sería el Sol, y los electrones cada uno de los planetas, orbitando entorno al núcleo.

Los protones tienen carga positiva, los electrones negativas y los neutrones no tienen carga.

Los protones y los neutrones tienen más o menos la misma masa, mientras que la masa de los electrones es tan pequeña que se puede considerar 0.

¿Qué es más grande, el núcleo o la corteza? Al decir que la masa de los electrones es casi 0, o sea, que toda la masa se encuentra en el núcleo, uno puede pensar que el núcleo es más grande que la corteza. Eso es un error. Imaginemos que el núcleo fuera una canica, y la ponemos en el centro de un gran estadio de fútbol. Pues la corteza sería todo el estadio. O sea, toda la masa está concentrada en una canica, y el resto del estadio está vacío. La matería está casi hueca.

Esto explica hechos como la difusión. Si cogemos una botella metálica perfectamente cerrada, y la llenamos de hidrógeno, al cabo de un tiempo el gas se habrás escapado: el hidrógeno se “cuela” por los huecos de los átomos del metal.

Esto no es el todo cierto, más adelante se verá que no se habla de órbitas, si no de orbital.

Un átomo ha de ser neutro, o sea, la suma de todas sus cargas debe ser 0. De los neutrones no hay que preocuparse, no tienen carga. Hay que prestar atención a protones y electrones:

¿Qué pasa si un átomo tiene 6 protones y 10 electrones?

CARGA POSITIVA + CARGAS NEGATIVA = 6 + (-10) = - 4 ← no es un átomo

¿Qué pasa si un átomo tiene 3 protones y 2 electrones?

CARGA POSITIVA + CARGAS NEGATIVA = 3 + (-2) = + 1 ← no es un átomo

¿Qué pasa si un átomo tiene 7 protones y 7 electrones?

CARGA POSITIVA + CARGA NEGATIVA = 7 + (-7) = 0 ← es un átomo

Si CARGA POSITIVA + CARGA NEGATIVA no es 0, hablamos de un ión. Un ión puede ser un catión (si tiene carga positiva) o un anión (si tiene carga negativa).

Todos los átomos o iones de cloro tienen 17 protones. Puede variar su número de electrones (tenemos así iones de cloro) o su número de neutrones, pero nunca su número de protones. Si tiene 17 protones, es cloro.

A los átomos de un mismo elemento en los que varía su número de neutrones se conocen como isótopos. En el cloro tenemos dos isótopos principales, uno con 18 neutrones y otro con 20 neutrones, pero los dos con 17 protones, ya que si no no sería cloro.

Las moléculas son uniones de átomos mediante enlaces. Esas uniones se producen para buscar estabilidad. Por ejemplo, el átomo de oxígeno no es estable, por ello se une a metales (para formar óxidos metálicos), al hidrógeno (para formar H2O) o a otro oxígeno (para formar O2, o dioxígeno, el gas que respiramos).

El oxígeno se puede unir a cualquier elemento, no solo a esto, con excepciones de los gases nobles más ligeros, no reactivos hasta el momento.

ALGUNOS EJERCICIOS PARA PRACTICAR

QB: Moles

QB: Conceptos básicos