Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12
11Átomos y moléculas
Toma una gota de agua y córtala en dos. Cada mitad sigue siendo agua. Corta otra vez una mitad en dos, y otra vez, y otra. ¿Podrías seguir así para siempre, o llegarías a un trozo tan pequeño que al cortarlo una vez más obtendrías algo que ya no es agua? Hacia el año 400 a. C., el pensador griego Demócrito adivinó la respuesta: la materia está hecha de piezas diminutas que no se pueden cortar, a las que llamó átomos, de la palabra griega que significa “indivisible”. Hicieron falta más de dos mil años, y el trabajo de los químicos del siglo XIX, para convertir esa intuición en ciencia. Este capítulo describe esas piezas, los átomos, y cómo se agrupan en moléculas.
Lo que ya sabes
Una sustancia pura, como el agua o el oxígeno, está formada por una sola especie química; una mezcla, como el aire, contiene varias (Capítulo 8). El aire tiene unas cuatro quintas partes de nitrógeno y una quinta parte de oxígeno (Capítulo 4).
11.1 Los átomos
Definición 11.1 (Átomo)
Toda la materia está construida con partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos. En la naturaleza solo hay un centenar de clases distintas de átomos, y toda sustancia (el agua, el aire, el hierro, el azúcar, nuestro propio cuerpo) está hecha de átomos de unas pocas de esas clases.
Proposición 11.2 (Los átomos son diminutos)
El átomo más pequeño, el átomo de hidrógeno, mide alrededor de una diezmillonésima de milímetro de diámetro; los demás son, como mucho, unas pocas veces más grandes. Diez millones de átomos de hidrógeno en fila formarían una línea de un milímetro. Para imaginarlo: si una manzana se agrandara hasta el tamaño de la Tierra, cada uno de sus átomos tendría más o menos el tamaño de una cereza pequeña.
Observación 11.3 (Vistos sin ser vistos)
Ningún microscopio de luz puede mostrar un átomo: los átomos son mucho más pequeños que las ondas de la luz. Desde los años ochenta, unos microscopios especiales que palpan una superficie con una punta extremadamente fina han producido imágenes en las que los átomos sueltos aparecen como pequeños bultos.
Definición 11.4 (Símbolo de un átomo)
Cada clase de átomo tiene un nombre y un símbolo: una letra mayúscula, a veces seguida de una letra minúscula. El símbolo es el mismo en todos los idiomas.
| átomo | símbolo | color del modelo | átomo | símbolo | color del modelo | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| hidrógeno |  | blanco | sodio |  | morado | ||
| carbono |  | negro | azufre |  | amarillo | ||
| nitrógeno |  | azul | cloro |  | verde | ||
| oxígeno |  | rojo | hierro, cobre | , | — |
Observación 11.5 (De dónde vienen los símbolos)
La mayoría de los símbolos son las primeras letras del nombre: para el hidrógeno, para el carbono, para el oxígeno. Algunos vienen de un nombre más antiguo, latino: para el sodio (natrium), para el hierro (ferrum), para el cobre (cuprum). La segunda letra es siempre minúscula: es el átomo de cobalto, mientras que CO, con la O mayúscula, es algo muy distinto.
Historia — Los átomos de Dalton, 1808
En 1808, el químico John Dalton publicó una tabla de los átomos conocidos entonces, cada uno dibujado como un pequeño círculo con su propio signo. Fue el primero en afirmar que todos los átomos de una misma clase tienen el mismo peso, y que los químicos podían comparar esos pesos. Pero también supuso que el agua era un átomo de hidrógeno unido a un átomo de oxígeno; hicieron falta otros cincuenta años para que los químicos se pusieran de acuerdo en que una molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno.
11.2 Las moléculas
Definición 11.6 (Molécula)
Una molécula es un grupo de átomos fuertemente unidos entre sí. Una molécula es el trozo más pequeño de una sustancia que sigue siendo esa sustancia: una molécula de agua es la cantidad de agua más pequeña posible.
Ejemplo 11.7 (Siete moléculas)
- la molécula de hidrógeno: dos átomos de hidrógeno;
- la molécula de oxígeno, que respiramos: dos átomos de oxígeno;
- la molécula de nitrógeno, cuatro quintas partes del aire: dos átomos de nitrógeno;
- la molécula de agua: dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno;
- la molécula de dióxido de carbono, que espiramos: un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno;
- la molécula de metano, la parte principal del gas natural que se quema en las cocinas de gas: un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno;
- la molécula de óxido de dinitrógeno, un gas anestésico: dos átomos de nitrógeno y un átomo de oxígeno.
Proposición 11.8 (Moléculas de una sustancia pura y de una mezcla)
En una sustancia pura formada por moléculas, todas las moléculas son idénticas: el agua pura solo contiene moléculas de agua. Una mezcla contiene moléculas de varias clases: el aire es sobre todo moléculas de nitrógeno y moléculas de oxígeno, unas cuatro de nitrógeno por cada una de oxígeno, con unos pocos átomos de argón que van sueltos y muy pocas moléculas de dióxido de carbono.
11.3 Las fórmulas químicas
Definición 11.9 (Fórmula química)
La fórmula química de una molécula enumera los símbolos de sus átomos, cada uno seguido de un número pequeño escrito por debajo de la línea (el subíndice) que indica cuántos átomos de esa clase contiene la molécula. El subíndice 1 no se escribe.
Ejemplo 11.10 (Las siete fórmulas)
Las moléculas del Ejemplo 11.7 tienen estas fórmulas:
Método 11.11 (Leer una fórmula)
Para leer la fórmula de una molécula:
- se divide en símbolos: cada uno empieza por una mayúscula;
- después de cada símbolo, se lee el subíndice (sin subíndice quiere decir 1);
- se suman los subíndices para obtener el número total de átomos.
Para (el etanol, el alcohol de las bebidas): 2 de carbono, 6 de hidrógeno, 1 de oxígeno, 9 átomos en total.
Observación 11.12 (Un número delante)
Un número escrito delante de una fórmula cuenta moléculas: significa tres moléculas de agua, que en total contienen 6 átomos de hidrógeno y 3 átomos de oxígeno. No confundas , una molécula formada por dos átomos de oxígeno, con , dos átomos de oxígeno que no están unidos.
Ejemplo 11.13 (El metano en la cocina)
El gas natural de una cocina de gas es sobre todo metano, . Cada una de sus moléculas es un átomo de carbono con cuatro átomos de hidrógeno a su alrededor. El gas es invisible y no tiene olor: el olor a “gas” es una sustancia que se añade a propósito, para que se note una fuga.
11.4 Los modelos moleculares
Observación 11.14 (Los modelos y sus colores)
Los químicos construyen modelos moleculares con bolas para los átomos y varillas para los enlaces entre ellos. Los colores son una convención que se usa en todo el mundo (carbono negro, hidrógeno blanco, oxígeno rojo, nitrógeno azul) y no el color real de los átomos: un átomo aislado no tiene ningún color. Un modelo muestra también la forma de una molécula, cosa que una fórmula no hace: la molécula de agua es angular, y la de dióxido de carbono, lineal.
Método 11.15 (De un modelo a una fórmula)
Para escribir la fórmula de una molécula a partir de su modelo:
- se nombran los átomos por sus colores;
- se cuentan las bolas de cada color;
- se escriben los símbolos con los recuentos como subíndices: primero el carbono, luego el hidrógeno y después los demás átomos por orden alfabético de sus símbolos.
Una bola negra unida a cuatro blancas: un carbono y cuatro hidrógenos, .
11.5 Ejercicios
Ejercicio 11.1 ★
Ejercicio 11.2 ★
Da los símbolos del hidrógeno, el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el sodio y el hierro.
Solución
Solución de Ejercicio 11.2.
, , , , , .
Ejercicio 11.3 ★
¿Cuántos átomos de cada clase hay en una molécula de dióxido de carbono, ? ¿Cuántos átomos en total?
Ejercicio 11.4 ★
Nombra las moléculas , , y .
Solución
Solución de Ejercicio 11.4.
Agua, oxígeno, metano, nitrógeno.
Ejercicio 11.5 ★
Una molécula de dióxido de nitrógeno, un gas pardo que se encuentra en el aire contaminado, está formada por un átomo de nitrógeno y dos átomos de oxígeno. Escribe su fórmula.
Solución
Solución de Ejercicio 11.5.
.
Ejercicio 11.6 ★★
Explica la diferencia entre y , y entre y .
Ejercicio 11.7 ★★
¿Cuántos átomos de hidrógeno y cuántos átomos de oxígeno hay en ? ¿Y en ?
Ejercicio 11.8 ★★
Un modelo está formado por una bola negra unida a dos bolas rojas. Nombra los átomos, escribe la fórmula y nombra la molécula.
Solución
Solución de Ejercicio 11.8.
El negro es el carbono y el rojo, el oxígeno: un carbono, dos oxígenos, , el dióxido de carbono.
Ejercicio 11.9 ★★
En la tabla de Dalton, el agua está formada por un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Escribe la fórmula que Dalton tenía en mente, y di cuántos átomos le faltan a su molécula de agua.
Ejercicio 11.10 ★★
¿Es el agua pura una mezcla? ¿Y el aire? Responde describiendo las moléculas que contiene cada uno.
Ejercicio 11.11 ★★★
Un átomo de hidrógeno mide alrededor de una diezmillonésima de milímetro de diámetro. ¿Cuántos átomos de hidrógeno, uno al lado del otro, formarían una línea de ? ¿Y una línea tan larga como un campo de fútbol, ?
Ejercicio 11.12 ★★★
La glucosa, el azúcar que alimenta nuestras células, tiene la fórmula . ¿Cuántos átomos contiene una molécula de glucosa? ¿Qué porcentaje de ellos son átomos de hidrógeno? ¿Qué porcentaje son átomos de carbono?
11.6 Problema: Los átomos de una respiración
Problema 11.1
Problema de fin de semana — contar los átomos de una bocanada de aire, antes y después de pasar por nuestros pulmones
El nitrógeno atraviesa los pulmones sin cambiar, así que sirve de referencia. En el aire seco, por cada 78 moléculas de nitrógeno hay unas 21 moléculas de oxígeno y 1 átomo de argón: 100 partículas (moléculas o átomos sueltos) en total. En el aire espirado, una vez eliminado su vapor de agua, las mismas 78 moléculas de nitrógeno van acompañadas de unas 16 moléculas de oxígeno, 4 moléculas de dióxido de carbono y 1 átomo de argón.
Parte I — El aire que inspiramos.
- Escribe las fórmulas de las moléculas de nitrógeno, de oxígeno y de dióxido de carbono, y da el número de átomos de cada una.
- El argón se cuenta en átomos, no en moléculas. ¿Qué nos dice esto sobre el argón?
- En estas 100 partículas de aire inspirado, ¿cuántos átomos de nitrógeno hay? ¿Cuántos átomos de oxígeno?
- ¿Cuántos átomos hay en total en estas 100 partículas?
- ¿Qué porcentaje de estos átomos son átomos de nitrógeno? Redondea al número entero más próximo.
Parte II — El aire que espiramos.
- En el aire espirado que acompaña a las mismas 78 moléculas de nitrógeno, ¿cuántos átomos de oxígeno hay dentro de moléculas de oxígeno? ¿Y dentro de moléculas de dióxido de carbono? ¿Y en total?
- Compara con la pregunta 3. ¿Cuántos átomos de oxígeno faltan? ¿En qué molécula, fabricada en el cuerpo a partir del hidrógeno de los alimentos y eliminada aquí con el vapor de agua, han acabado?
- ¿Cuántos átomos de carbono hay en el aire inspirado? ¿Y en el aire espirado?
- El aire no lleva átomos de carbono a los pulmones. ¿De dónde pueden venir los átomos de carbono del aliento? (Piensa en lo que usa el cuerpo para vivir.)
- ¿Cuántas moléculas de oxígeno han desaparecido, y cuántas moléculas de dióxido de carbono han aparecido?
Parte III — El recuento.
- Describe el modelo de bolas y varillas de cada una de las cuatro clases de partículas del aire espirado, con los colores de las bolas (el argón se representa con una sola bola azul claro).
- ¿Cuántos átomos hay en total en el aire espirado seco? ¿Cuántos átomos más que en el aire inspirado? Explica la diferencia con los átomos de carbono ganados y los átomos de oxígeno que faltan.
Solución
Solución de Problema 11.1.
1. Nitrógeno , 2 átomos; oxígeno , 2 átomos; dióxido de carbono , 3 átomos.
2. Los átomos de argón no se unen formando moléculas: el argón está formado por átomos sueltos.
3. Nitrógeno: átomos. Oxígeno: átomos.
4. átomos.
5. , alrededor del .
6. En moléculas de oxígeno: ; en moléculas de dióxido de carbono: ; en total, .
7. Faltan átomos de oxígeno, el equivalente a una molécula de oxígeno. Han acabado en moléculas de agua, , que el cuerpo fabrica con el hidrógeno de los alimentos; esa agua sale en parte como vapor de agua en el aliento (eliminado en estas cifras).
8. En el aire inspirado: 0. En el espirado: 4 (uno en cada ).
9. De los alimentos que usa el cuerpo: los azúcares y las grasas contienen átomos de carbono, y el cuerpo los libera en el dióxido de carbono que espira.
10. Han desaparecido moléculas de oxígeno y han aparecido 4 moléculas de dióxido de carbono.
11. Nitrógeno: dos bolas azules unidas por tres varillas. Oxígeno: dos bolas rojas unidas por dos varillas. Dióxido de carbono: una bola negra entre dos bolas rojas, cada una unida a ella por dos varillas, en línea recta. Argón: una sola bola azul claro.
12. átomos (las 4 moléculas de dióxido de carbono contienen 12 átomos). Son átomos más que en el aire inspirado: 4 átomos de carbono ganados de los alimentos, menos los 2 átomos de oxígeno que se fueron en el agua.