Sabemos que los electrones se encuentran en todos los átomos que forman a las partículas y sabemos que se trata de una partícula eléctricamente cargada. Pero, ¿sabías que la carga eléctrica de todas las partículas se define a partir de la carga del electrón? ¡Vamos a verlo!
- En este artículo primero veremos cuál es la carga del electrón.
- A continuación, podremos determinar la carga de los átomos en la física.
- Una vez asentados estos conocimientos, discutiremos el concepto de carga específica de electrones y protones.
- Finalmente, extenderemos esto a cómo se calcula la carga específica en física.
¿Cuál es la carga del electrón?
Todos los valores de carga son un múltiplo de la carga elemental del electrón \(q_e\) (también la indicamos con \(e\) o \(e^{-}\). Esta carga tiene un valor de \(q_e=-1,6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\).
Fig. 1: El electrón, que se suele representar esquemáticamente como una partícula con un símbolo menos, tiene una carga negativa de \(q_e=-1,6\cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\).
Tal y como podemos observar, la carga del electrón es negativa. Esta carga es, por tanto, de signo contrario a la carga que encontraremos en los protones. La carga de los protones tendrá el mismo valor absoluto pero con signo contrario.
Esto provoca, tal y como veremos a continuación, que la carga total de los átomos sea \(0\).
¿Qué es la carga de los átomos, en la física?
Los átomos son neutros: no tienen carga, porque sus partículas están equilibradas. Sin embargo, si se elimina o se añade una de sus cargas negativas (electrones), se tiene un átomo no equilibrado.
Un átomo o partícula con una carga distinta de cero se denomina ion.
Los iones pueden ser positivos (catión) o negativos (anión).
Catión: ion con carga positiva, que tiene un exceso de partículas positivas.
Anión: ion con carga negativa, que tiene un exceso de partículas negativas.
Podemos ver ejemplos de iones del hidrógeno en la siguiente imagen:
Fig. 2: Los iones de hidrógeno varían dependiendo su carga. El hidruro tiene dos electrones, entonces su carga es negativa. El hidrógeno tiene carga neutra porque tiene un par protón-electrón. El hidrón tiene carga positiva porque solo contiene un protón.
Fórmula de la carga eléctrica, en física
Para obtener la carga eléctrica, necesitamos multiplicar el número de partículas cargadas por el valor de la carga, como podemos ver en los siguientes ejemplos.
Calcula la carga total de un núcleo de helio:
\[^4_2He \]
Solución:
Debes multiplicar la carga de un protón por el número total de protones del núcleo. La carga del protón es igual a \(1,6022 \cdot 10 ^{-19}\) culombios, por lo que tenemos que multiplicar el número total de protones del helio, que es dos, por el valor de la carga:
\[\begin{aligned} \text{Carga total} &= 2\cdot (1,6022\cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C} )\\ &=3,2044 \cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C}\end{aligned} \]
Calcula la carga total de un anión de carbono con ocho electrones.
Solución:
Un anión es un átomo con carga negativa. Un átomo de carbono tiene, normalmente, seis electrones; pero, en este caso, se trata de un átomo que tiene dos electrones adicionales y, por tanto, un total de ocho. Estos electrones adicionales dan al átomo una carga total negativa.
Para obtener la carga total, tienes que multiplicar el valor de la carga del electrón por los electrones adicionales. La carga del electrón es \(-1,6022 \cdot 10^{-19}\) culombios.
La carga total, por tanto, es \(-1,6022 \cdot 10^{-19}\) culombios multiplicados por dos:
\[\begin{aligned} \text{Carga total} &= 2(-1,6022\cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C} )\\ &=-3,2044 \cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C}\end{aligned} \]
Como puedes ver en estos ejemplos, la magnitud de la carga de un electrón y de un protón es la misma. La única diferencia entre ellos es el signo menos.
Para obtener el número de protones en el núcleo, sin disponer de la notación del núcleo, hay que consultar la tabla periódica de los elementos. El número atómico indica el número de protones en el núcleo del átomo.
Carga específica de los electrones y protones
No solo los átomos pueden tener una carga específica; lo mismo ocurre con las partículas elementales. La carga específica de cada partícula depende de la masa y de la carga de la partícula, lo que también afecta a la carga específica del átomo:
- La magnitud de la carga específica de los electrones es mayor que la de los protones porque el protón es más pesado que el electrón.
- El neutrón tiene una carga específica de cero, ya que tiene una carga neutra.
- En un átomo con igual número de protones y electrones, la carga específica es cero.
Relación carga-masa del electrón y las partículas
No solo los átomos pueden tener una carga específica, lo mismo ocurre con las partículas elementales. La carga específica de cada partícula depende de la masa y de la carga de la partícula (ver más abajo), lo que también afecta a la carga específica del átomo.
- La magnitud de la carga específica de los electrones es mayor que la de los protones porque el protón es más pesado que el electrón.
- El neutrón tiene una carga específica de cero, ya que tiene una carga neutra.
- En un átomo con igual número de protones y electrones la carga específica es cero.
¿Cómo se calcula la carga específica en física?
Para obtener la carga específica de una partícula, necesitamos conocer su masa y su carga eléctrica.
Al conocer la carga eléctrica de un objeto podemos conocer también su masa. Este tipo de relación entre la carga y la masa se conoce como carga específica.
A partir de ellas, podemos calcular la carga específica dividiendo la carga eléctrica de una partícula entre su masa:
\[\text{Carga específica}=\dfrac{\text{Carga eléctrica}}{\text{Masa de la partícula}} \]
La masa y la carga de un átomo se indican en la notación de los nucleidos, que determina el número de partículas que componen la masa del núcleo y el número total de protones del átomo de un elemento.
Lectura de la notación de nucleidos
La notación de nucleidos nos indica el símbolo del elemento (en letras latinas) y parte de la estructura del átomo, mediante su número de masa y su número atómico:
- El número másico, que indica el número de protones y neutrones que componen la masa del elemento, está en la esquina superior izquierda.
- El número atómico, en la esquina inferior izquierda, muestra el número de protones del átomo.
Veamos los siguientes ejemplos:
\[ ^{12}_{\phantom{0}6}C\]
Aquí, el símbolo nos indica que se trata de un átomo de carbono, y el número doce indica que el carbono 12 tiene doce partículas en su núcleo.
Las partículas del núcleo constituyen la mayor parte de la masa del átomo. El número seis nos da el número de cargas positivas (o protones) en el núcleo.
\[^{16}_{\phantom{0}8}O \]
Aquí, el símbolo nos indica que se trata de un átomo de oxígeno, y el número dieciséis indica que el oxígeno 16 tiene dieciséis partículas en su núcleo.
El número ocho nos da el número de cargas positivas en el núcleo.
Fig. 3: La notación de nucleidos contiene información sobra la estructura del átomo.
Obtención de la masa
Para obtener la masa total de la partícula, hay que multiplicar el valor de la masa de los protones y neutrones por el número de protones y neutrones del átomo. La masa del electrón es tan pequeña que no necesitamos calcularla. La masa aproximada de protones y neutrones es de \(1,67 \cdot 10 ^{ -27}\, \, \mathrm{kg}\), aunque los neutrones son ligeramente más pesados.
Obtención de la carga específica
Después de haber obtenido la carga total y la masa total de la partícula, solo tenemos que dividir la carga total entre la masa total, como en el siguiente ejemplo.
Calcula la carga específica de un núcleo de carbono 12.
\[^{12}_{\phantom{0}6}C\]
Solución:
Para calcular la carga específica, primero multiplicamos la carga de un protón por el número total de protones, que en el caso de un átomo de carbono es seis:
\[ \text{Carga total}=6(1,6022\cdot 10^{-19} \, \, \mathrm{C})=9,6132\cdot 10^{-19}\, \, \mathrm{C} \]
Ahora, multiplicamos la masa de las partículas que componen el núcleo por el número de la partícula, que en este caso es doce:
\[ \text{Masa total}=12(1,67\cdot 10^{-27}\, \, \mathrm{kg})=20,04\cdot 10^{-27} \, \, \mathrm{kg}\]
Por último, hay que dividir las dos cantidades:
\[\text{Carga especifica}= \dfrac{\text{Carga eléctrica}}{\text{Masa partícula}}=4,79701 \cdot 10^7 \, \, \mathrm{C/kg}\].
Carga específica - Puntos clave
- La carga específica de un átomo es la relación entre su carga eléctrica y su masa.
- La magnitud de la carga eléctrica de los electrones y los protones es la misma, pero la de los electrones es negativa.
- La masa de los electrones es menor que la de los protones y neutrones.
- Una partícula con carga positiva se llama catión, mientras que una partícula con carga negativa se llama anión.
- Los neutrones no añaden ninguna carga al átomo; solo añaden masa.
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