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Los átomos y su carga
Los átomos son neutros; no tienen carga porque sus partículas están equilibradas. Sin embargo, si quitas o añades una de sus cargas negativas (electrones), tienes un átomo no equilibrado. Un átomo o partícula con una carga distinta de cero se llama ion. Los iones pueden ser positivos (catión) o negativos (anión).
- Catión: ion cargado positivamente, que tiene un exceso de partículas positivas.
- Anión: ion cargado negativamente, que tiene un exceso de partículas negativas.
Fig. 1 - De izquierda a derecha: un anión hidrógeno, un átomo de hidrógeno neutro y un catión hidrógeno
La carga específica de los electrones y protones
No sólo los átomos pueden tener carga específica; lo mismo ocurre con las partículas elementales. La carga específica de cada partícula depende de la masa y la carga de la partícula (ver más abajo), lo que también afecta a la carga específica del átomo.
- Lamagnitud de la carga específica de los electrones es mayor que la carga específica 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 calcular la carga específica de una partícula
Para obtener la carga específica de una partícula, necesitamos conocer su masa y su carga eléctrica. A partir de ellas, podemos calcular la carga específica dividiendo la carga eléctrica de una partícula por su masa:
\[\text{Carga específica} = \frac{\text{Carga eléctrica}}{{text{Masa de la partícula}}].
La masa y la carga de un átomo se muestran en la notación de nucleido, que determina el número de partículas que componen la masa del núcleo y el número total de protones en el átomo único de un elemento.
Lectura de la notación de nucleidos
La notación de los nucleidos nos indica el símbolo del elemento (en letras latinas) y parte de la estructura del átomo, mediante su número másico 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, indica el número de protones del átomo.
Observa los dos ejemplos siguientes.
\(^{12}_{6}C\)
El símbolo nos dice 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) del núcleo.
\(^{16}_{8}O\)
El símbolo nos dice 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.
Obtención de la carga eléctrica
Para obtener la carga eléctrica, tenemos que multiplicar el número de partículas cargadas por el valor de la carga, como se ilustra en los ejemplos siguientes.
Calcula la carga total de un núcleo de helio.
\(^{4}_{2}He)
Tenemos que 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, así que tenemos que multiplicar el número total de protones de helio, que es dos, por el valor de la carga.
\text{Carga total} = 2 \cdot (1,6022 \cdot 10^ {-19} C) = 3,2044 \cdot 10^ {-19} C C\)
Calcula la carga total de un anión de carbono con ocho electrones.
Un anión es un átomo cargado negativamente. 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, tenemos que multiplicar el valor de la carga electrónica por los electrones adicionales. La carga del electrón es \(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\) culombios. Por tanto, la carga total es \(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\) culombios multiplicado por dos.
\(Carga total = 2 coulombios (-1,6022 coulombios 10^{-19} C) = -3,2044 coulombios 10^{-19} C) C\)
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 del núcleo sin disponer de la notación del nucleido, tienes que consultar la tabla periódica de los elementos. El número atómico te indica el número de protones que hay en el núcleo del átomo.
Obtención de la masa
Para obtener la masa total de las partículas, tenemos que multiplicar el valor de la masa de 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 \(1,67 \cdot 10 ^ {-27}kg\), aunque los neutrones son ligeramente más pesados.
Obtención de la carga específica
Una vez obtenidas la carga total y la masa total de la partícula, sólo tenemos que dividir la carga total por la masa total, como en el ejemplo siguiente.
Calcula la carga específica de un núcleo de carbono 12.
\(^{12}_{6}C\)
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 \cdot (1,6022 \cdot 10^{-19} C) = 9,6132 \cdot 10^{-19} C 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{Carga total} = 12 \cdot (1,67 \cdot 10^{-27} kg) = 20,04 \cdot 10^{-27} kg)
Por último, tienes que dividir las dos cantidades.
\(\text{Carga específica} = \frac{text{Carga eléctrica}} {{text{Masa de la partícula}} = 4,79701 \cdot 10^7 \space C/kg\)
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 cargada positivamente se llama catión, mientras que una partícula cargada negativamente se llama anión.
- Los neutrones no añaden ninguna carga al átomo; sólo añaden masa.
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