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Isótopos e iones

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Batería de celular basada en la tecnología del ion de litio.

Los isótopos

No todos los átomos que pertenecen a un mismo elemento son idénticos, y de nuevo se rechaza otro postulado de la teoría atómica de Dalton; pueden diferir en el número de neutrones pero no en el número de protones que debe ser igual para todos.

Cada tipo de átomo que pertenece a un elemento concreto se le denomina isótopo. El isótopo se caracteriza por dos números, el número atómico Z, que es el número de protones del núcleo y el número másico A, que es el número total de protones y neutrones.

                                                                                           AZX

Por ejemplo: Isótopos del Hidrógeno

H : hidrógeno,  2H: deuterio,   3H: tritio.

Los isótopos de un mismo elemento presentan las mismas propiedades químicas, forman los mismo compuestos e tienen idéntica reactividad; sin embargo difieren algo en cuanto a las propiedades físicas por la influencia de la masa atómica.

Para medir la masa de un átomo se emplea la unidad de masa atómica (uma), cuyo símbolo es u, porque no puede conocer con exactitud la masa de un átomo porque durante la formación  de su núcleo pierde masa que se transforma en energía, por lo tanto no se puede determinar sumando la masa de sus protones y neutrones, se debe determinar experimentalmente.

Caso práctico
Solución

Determinación de los isótopos de un elemento.

Al analizar una molécula diatómica como el Cl2 por un espectrómetro de masas se obtienen 3 picos que corresponden a los números másicos de 70, 72 y 74 ¿Cuáles serían los isótopos del Cl?

Los iones

Los iones son también átomos de un mismo elemento, pero que han perdido o ganado electrones; en consecuencia como el número de protones se mantiene, el átomo pierde la neutralidad de carga. Cuando un átomo pierde electrones su carga neta es positiva y al ion se le denomina catión, y si gana electrones su carga neta es negativa y se le denomina anión.

¿Entonces cualquier elemento puede ganar o perder electrones arbitrariamente o existen reglas que nos indiquen si un elemento se convertirá en un catión o en un anión? Por norma general los elementos metálicos de los grupos 1 y 2 como el Li, Na, K, Mg, Ca etc… perderán electrones y formarán cationes; en cambio los elementos no metálicos de los grupos 15, 16 y 17 (N, P, O, S, F, Cl etc…) ganarán electrones y formarán aniones. Pero hay que tener en cuenta que esto no es una regla básica o estricta, sino más bien orientativa y no es obligatorio que se cumpla en todos los casos.

Como los compuestos químicos deben cumplir también la neutralidad de carga es posible predecir la composición que tendrán aquellos compuestos más sencillos. Por ejemplo el óxido de calcio, el oxígeno gana 2 electrones y el calcio pierde otros dos, luego su composición será un átomo de calcio por cada átomo de oxígeno.  CaO.

El aluminio pierde 3 electrones entonces al reaccionar con el oxígeno formará un compuesto que constará de 2 átomos de aluminio por cada 3 átomos de oxígeno.  Al2O3.

La masa atómica

Aunque se conoce con precisión la masa de los protones, neutrones y electrones; la masa de un átomo no se puede obtener sumando las masas de las partículas que forman su núcleo; entonces ¿a qué se debe esto? Pues porque en el proceso de generación de nuevos átomos que se produce en el núcleo de las estrellas, como el Sol, parte de la materia se transforma en energía que se libera. De no ser así, el Sol no irradiaría energía y la vida en la Tierra sería imposible.

Debido a esa razón, por acuerdo internacional se escogió un átomo y se le asignó una masa como patrón de referencia a partir de la cuál se obtendrían las del resto de átomos por comparación.  La IUPAC eligió como patrón fundamental al isótopo de carbono 12 (12C), al que se le asignó una masa de referencia de 12 u (umas).

Sin embargo en la tabla periódica, si vamos al elemento carbono, vemos que su masa atómica es 12,0107 u y no 12,0000, tal y como indica el estándar internacional. ¿Por qué? ¿Se trata de un error? No, porque en la naturaleza existen varios isótopos del carbono, cada uno de ellos con una masa atómica diferente. Por lo tanto lo que se indica en la tabla periódica en la masa promedio de los isótopos, teniendo en cuenta además la importancia de su presencia en la naturaleza de cada uno de ellos. Dicha masa atómica promedio y ponderada también se le denomina peso atómico.

Caso práctico
Solución

Hallar la masa atómica de un elemento. El cloro Cl.

En la naturaleza los isótopos del cloro más abundantes son el cloro 35 y el cloro 37, entonces ¿cuál sería el peso atómico del cloro que debería indicar la tabla periódica?

Datos:

Cloro 35, (35Cl): masa atómica = 34,9689 u,      presencia = 75,77%

Cloro 37, (37Cl): masa atómica = 36,9659 u,      presencia = 24,23%

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