El modelo atómico-molecular
Cuando en la casa de su abuela en Cartago se enciende la cocina de gas, el tanque de gas pierde contenido y la llama se apaga al cerrar la llave, pero la materia no se "acaba": se convierte en otras sustancias. ¿Cómo puede cambiar todo sin que se pierda ni un solo gramo? La respuesta llegó con una idea: toda la materia está hecha de átomos, y en una reacción esos átomos no desaparecen, solo se reorganizan.
Átomos que se reagrupan
Al pasar corriente eléctrica por agua líquida se obtienen dos gases distintos, hidrógeno y oxígeno, y la masa de los dos gases juntos es igual a la del agua que se consumió. ¿Cómo puede una sustancia convertirse en otras totalmente distintas sin que sobre ni falte masa?
Según el modelo atómico-molecular, los elementos están formados por átomos, y estos se unen entre sí formando moléculas. En una reacción química se rompen unos enlaces y se forman otros, pero los átomos ni se crean ni se destruyen.
Fíjese en la diferencia con un cambio físico. Cuando el hielo de la hielera se derrite o el agua del café hierve, las moléculas de $H_2O$ se separan o se mueven distinto, pero siguen intactas: por eso el vapor sigue siendo agua. En un cambio químico las moléculas sí se rompen y sus átomos forman moléculas nuevas.
Complete la frase con las palabras que faltan: «Según el modelo atómico-molecular, toda la materia está formada por $\dots$. Estos se agrupan formando $\dots$ y, en una…
Complete la frase con las palabras que faltan: «Según el modelo atómico-molecular, toda la materia está formada por $\dots$. Estos se agrupan formando $\dots$ y, en una reacción química, no desaparecen: solo se $\dots$ para dar sustancias nuevas».
Cuando el hielo se derrite, las moléculas siguen siendo $H_2O$; cuando el agua se descompone con corriente eléctrica, aparecen $H_2$ y $O_2$. La figura muestra las…
Cuando el hielo se derrite, las moléculas siguen siendo $H_2O$; cuando el agua se descompone con corriente eléctrica, aparecen $H_2$ y $O_2$. La figura muestra las partículas en los dos procesos.
Explique con el modelo atómico-molecular cuál de los dos cambios es químico y por qué.
Al hervir agua, las moléculas $H_2O$ se separan unas de otras, pero no se rompen. a) ¿Por qué el vapor sigue siendo agua? b) ¿Qué tendría que ocurrirles a las moléculas…
Al hervir agua, las moléculas $H_2O$ se separan unas de otras, pero no se rompen.
- a) ¿Por qué el vapor sigue siendo agua?
- b) ¿Qué tendría que ocurrirles a las moléculas para que el vapor dejara de ser agua?
Modelos de esferas: elementos, compuestos y mezclas
Para "ver" lo que no se ve, los químicos usan modelos: esferas de colores (de plasticina o dibujadas) que representan átomos, y palillos o líneas que representan los enlaces. Cada color es un elemento.
El metano, $CH_4$, también se modela así: un átomo de carbono (esfera grande) unido a cuatro átomos de hidrógeno (esferas pequeñas).
Con este modelo, las diferencias se ven a simple vista:
| Tipo | Qué se ve en el modelo | Ejemplo |
|---|---|---|
| Elemento | Un solo color de esfera | $O_2$, $H_2$, $N_2$ |
| Compuesto | Colores distintos unidos siempre igual | $H_2O$, $CO_2$, $CH_4$ |
| Mezcla | Varias sustancias juntas, sin unirse | aire: $N_2$ y $O_2$ |
El aire es una mezcla: sus moléculas están sueltas y se pueden separar. El agua es un compuesto: los átomos de H y O están unidos y no se separan con un método físico.
En un modelo de bolas, las negras son átomos de carbono, las blancas de hidrógeno y las rojas de oxígeno. Una bola negra unida a cuatro blancas representa el metano,…
En un modelo de bolas, las negras son átomos de carbono, las blancas de hidrógeno y las rojas de oxígeno. Una bola negra unida a cuatro blancas representa el metano, $CH_4$.
- a) ¿Qué molécula representa una bola negra unida a dos rojas?
- b) Describa con bolas de este modelo la molécula de agua.
Queremos construir un modelo de la molécula de agua con bolas de plasticina: usamos bolas rojas para los átomos de oxígeno y bolas blancas para los de hidrógeno. a)…
Queremos construir un modelo de la molécula de agua con bolas de plasticina: usamos bolas rojas para los átomos de oxígeno y bolas blancas para los de hidrógeno.
- a) ¿Cuántas bolas de cada color necesita usted para una molécula de agua?
- b) Describa cómo estarían unidas las bolas.
En el aire, las moléculas de $N_2$ y de $O_2$ están sueltas y mezcladas; en el agua, los átomos de hidrógeno y de oxígeno están unidos formando moléculas $H_2O$, como…
En el aire, las moléculas de $N_2$ y de $O_2$ están sueltas y mezcladas; en el agua, los átomos de hidrógeno y de oxígeno están unidos formando moléculas $H_2O$, como muestra la figura.
Explique con el modelo atómico-molecular la diferencia entre una mezcla y un compuesto.
Modelo de esferas de una reacción
Un modelo no solo sirve para una sustancia: también puede mostrar una reacción completa, con los átomos antes y después. Tomemos $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$. (Una reacción es el cambio que ocurre; la ecuación química es la forma de escribirlo con símbolos.)
Este es el método para el modelo de cualquier reacción: arme los reactivos, desármelos y rearme los productos con las mismas bolitas. Si le sobra o le falta una, la ecuación no está balanceada.
La síntesis industrial del amoniaco se escribe: $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$. a) Diseñe un modelo con bolitas (elija un color para cada elemento) que represente…
La síntesis industrial del amoniaco se escribe: $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$.
- a) Diseñe un modelo con bolitas (elija un color para cada elemento) que represente esta reacción, antes y después.
- b) Compruebe, contando átomos en su modelo, que se respeta la conservación de la masa.
- c) ¿Cuántas moléculas de amoniaco se forman por cada molécula de nitrógeno?
Leer una fórmula química
Una fórmula como $H_2O$ es una receta exacta de qué átomos y cuántos forman la molécula.
Los símbolos son letras que identifican cada elemento: $H$ (hidrógeno), $C$ (carbono), $N$ (nitrógeno), $O$ (oxígeno).
La fórmula del agua es $H_2O$. La figura muestra su modelo de bolas. a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula de agua? b) ¿Cuántos átomos de oxígeno? c)…
La fórmula del agua es $H_2O$. La figura muestra su modelo de bolas.
- a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula de agua?
- b) ¿Cuántos átomos de oxígeno?
- c) ¿Cuántos átomos hay en total en la molécula?
La fórmula del dióxido de carbono es $CO_2$. Indique qué elementos forman su molécula y cuántos átomos de cada elemento hay en ella.
La fórmula del dióxido de carbono es $CO_2$. Indique qué elementos forman su molécula y cuántos átomos de cada elemento hay en ella.
Relacione cada símbolo químico con su elemento: $H$, $O$, $C$ y $N$, con los nombres hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno.
Relacione cada símbolo químico con su elemento: $H$, $O$, $C$ y $N$, con los nombres hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno.
Cuente con cuidado: a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en $3\ H_2O$? b) ¿Cuántos átomos de carbono y de oxígeno hay en $5\ CO_2$?
Cuente con cuidado:
- a) ¿Cuántos átomos de hidrógeno y de oxígeno hay en $3\ H_2O$?
- b) ¿Cuántos átomos de carbono y de oxígeno hay en $5\ CO_2$?
La fórmula del amoniaco es $NH_3$. a) ¿Cuántos átomos hay en una molécula de amoniaco? b) ¿Cuántos átomos de cada elemento hay en $2\ NH_3$?
La fórmula del amoniaco es $NH_3$.
- a) ¿Cuántos átomos hay en una molécula de amoniaco?
- b) ¿Cuántos átomos de cada elemento hay en $2\ NH_3$?
Átomos unidos y átomos sueltos
No es lo mismo escribir $O_2$ que $2\ O$, aunque ambos tengan dos átomos de oxígeno. La diferencia está en si están unidos formando una molécula o sueltos.
Observe la figura: Explique la diferencia entre escribir $O_2$ y escribir $2\ O$: ¿cuántos átomos de oxígeno hay en cada caso y cómo están (unidos o sueltos)?
Observe la figura:
Explique la diferencia entre escribir $O_2$ y escribir $2\ O$: ¿cuántos átomos de oxígeno hay en cada caso y cómo están (unidos o sueltos)?
Ecuaciones químicas equilibradas
Una ecuación química es una frase con fórmulas: a la izquierda los reactivos, a la derecha los productos, y una flecha que significa "se transforman en". Para respetar la ley de conservación de la masa (Lavoisier), debe estar equilibrada (o balanceada): el mismo número de átomos de cada elemento en ambos lados.
Mueva los coeficientes hasta que todos los elementos queden equilibrados. Nunca se cambian los subíndices, solo los coeficientes.
En la formación del agua, dos moléculas de hidrógeno ($2\ H_2$) reaccionan con una molécula de oxígeno ($O_2$) y se forman dos moléculas de agua ($2\ H_2O$), como…
En la formación del agua, dos moléculas de hidrógeno ($2\ H_2$) reaccionan con una molécula de oxígeno ($O_2$) y se forman dos moléculas de agua ($2\ H_2O$), como muestra el esquema de partículas.
Cuente los átomos de hidrógeno y de oxígeno antes y después de la reacción. ¿Ha desaparecido algún átomo?
La combustión del metano se escribe así: $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. El esquema representa las moléculas antes y después. Cuente los átomos de cada…
La combustión del metano se escribe así: $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. El esquema representa las moléculas antes y después.
Cuente los átomos de cada elemento antes y después de la reacción y compruebe que se conservan.
Un estudiante escribe en su cuaderno la combustión del metano así: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$. a) Cuente los átomos de cada elemento a los dos lados de la…
Un estudiante escribe en su cuaderno la combustión del metano así: $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.
- a) Cuente los átomos de cada elemento a los dos lados de la flecha.
- b) ¿Respeta su esquema la ley de conservación de la masa?
- c) Corrija la escritura para que los átomos cuadren y explique qué cambió.
Explicar las leyes con átomos
Ahora ya podemos responder al gancho. Los átomos son los mismos antes y después de una reacción, y cada tipo de átomo tiene siempre la misma masa. Por eso la masa total no cambia.
Esto explica casos que parecen raros. Hay un ejemplo muy conocido: al mezclar vinagre con bicarbonato dentro de una botella tapada con un globo, el globo se infla con $CO_2$, pero la masa total medida en la balanza no cambia.
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Magnesio al quemarse: la cinta de magnesio se une a átomos de oxígeno del aire, así que el óxido pesa más. Si pesara también el oxígeno que participó, la masa total sería igual antes y después.
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Óxido en un portón: en $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$ los átomos de oxígeno del aire se suman al hierro, y por eso un portón oxidado por la brisa y la humedad de Puntarenas pesa más.
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Ceniza de un fogón de leña: pesa menos porque parte de la materia salió como gases ($CO_2$, vapor de agua).
Volumen de gases y número de moléculas (ampliación)
En la electrólisis del agua, $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$, se recoge el doble de volumen de hidrógeno que de oxígeno. ¿Por qué? Porque volúmenes iguales de gases, a la misma temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas. Entonces el volumen es proporcional al número de moléculas: por cada molécula de $O_2$ se forman 2 de $H_2$, y por eso el volumen de hidrógeno es el doble.
Si desea saber cómo se relacionan las masas de las sustancias que reaccionan, consulte el apartado LEYES-PROPOR.
Explique, usando el modelo atómico-molecular, por qué la masa se conserva en una reacción química (ley de Lavoisier): ¿qué les ocurre a los átomos durante la reacción y…
Explique, usando el modelo atómico-molecular, por qué la masa se conserva en una reacción química (ley de Lavoisier): ¿qué les ocurre a los átomos durante la reacción y qué pasa con su masa?
La formación del agua se representa así: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$. a) ¿Cuántas moléculas hay antes y después de la reacción? b) ¿Cuántos átomos de cada tipo…
La formación del agua se representa así: $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.
- a) ¿Cuántas moléculas hay antes y después de la reacción?
- b) ¿Cuántos átomos de cada tipo hay antes y después?
- c) Use el modelo atómico-molecular para justificar la ley de conservación de la masa.
Al quemar una cinta de magnesio en el aire, el óxido que se forma pesa más que la cinta original. a) Explique esta ganancia de masa con el modelo atómico-molecular. b)…
Al quemar una cinta de magnesio en el aire, el óxido que se forma pesa más que la cinta original.
- a) Explique esta ganancia de masa con el modelo atómico-molecular.
- b) Prediga qué pasaría con la masa total si pudiéramos pesar también todo el aire que ha participado en la reacción.
La formación del óxido de hierro puede escribirse: $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. El esquema representa los átomos antes y después. a) Cuente los átomos de…
La formación del óxido de hierro puede escribirse: $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. El esquema representa los átomos antes y después.
- a) Cuente los átomos de hierro y de oxígeno antes y después.
- b) Un viejo portón de hierro muy oxidado pesa más que cuando era nuevo: explíquelo con el modelo atómico-molecular.
- c) ¿De dónde han salido los átomos que hacen aumentar su masa?
Vuelva al principio: al quemar el gas de la cocina, los átomos de carbono e hidrógeno del gas se reagrupan con el oxígeno del aire y forman $CO_2$ y vapor de agua. No se perdió ningún átomo, así que la masa total se conserva aunque el tanque se vacíe.