Física y Química 3.º ESO · Número atómico y número másico
Masa y carga de las partículas subatómicas: kg, C y u
Objetivo: Al terminar, sabrás expresar las masas de protones, neutrones y electrones en kg y en u y sus cargas en culombios, compararlas con notación científica y razonar por qué casi toda la masa del átomo está en el núcleo.
Explicación
Los valores reales
Las partículas subatómicas tienen masas y cargas diminutas. En unidades del SI (masa en kg, carga en culombios, C):
| Partícula | Masa (kg) | Masa (u) | Carga (C) |
|---|---|---|---|
| Protón | |||
| Neutrón | 0 | ||
| Electrón |
La carga elemental
La carga del protón y la del electrón valen lo mismo, C, con signo distinto. Es la carga elemental, : la carga más pequeña que se encuentra libre en la naturaleza. Cualquier carga es un número entero de veces :
Por ejemplo, un núcleo con 2 protones tiene C.
La unidad de masa atómica (u)
Trabajar con kg es incómodo. Por eso se usa la unidad de masa atómica, u: la doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12.
Para pasar de kg a u se divide entre ; para pasar de u a kg se multiplica. Protón y neutrón tienen casi exactamente 1 u.
¿Por qué la masa está en el núcleo?
Un protón tiene la masa de unos 1836 electrones. Como en un átomo neutro hay tantos electrones como protones (y además hay neutrones), los electrones suponen menos del 0,1 % de la masa: casi toda la masa del átomo está en el núcleo, aunque el núcleo ocupe una parte diminuta del volumen.
Puntos clave
- Protón y neutrón: unos kg (≈ 1 u). Electrón: kg.
- Carga elemental: C; protón , electrón , neutrón 0.
- kg.
- Un protón tiene la masa de unos 1836 electrones.
- Los electrones suponen menos del 0,1 % de la masa del átomo: la masa está en el núcleo.
Errores frecuentes
ErrorRestar exponentes mal al dividir potencias de 10: .
Cómo corregirloAl dividir se restan los exponentes: , así que .
ErrorDar como masa del protón 1 kg porque «su masa relativa es 1».
Cómo corregirloLa masa relativa 1 significa 1 u, no 1 kg: kg.
ErrorPensar que el electrón tiene menos carga que el protón porque tiene menos masa.
Cómo corregirloMasa y carga son cosas distintas: el electrón tiene la misma carga que el protón (en valor), aunque mucha menos masa.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. Protón frente a electrón numérico (cociente de masas)
Con los datos de la tabla: a) ¿cuántas veces es mayor la masa del protón que la del electrón? b) ¿Y la carga? c) Interpreta los resultados.
Resolución
a) (Dividimos y restamos exponentes: .)
b) Tienen la misma carga (en valor).
c) Un protón «pesa» como 1836 electrones, pero tiene la misma carga que uno solo (de signo contrario). Por eso un átomo neutro, con igual número de protones y electrones, tiene casi toda la masa en el núcleo.
Ejemplo 2. ¿Cuánto pesan los electrones de un átomo de oxígeno? numérico (porcentaje de masa)
Un átomo de oxígeno tiene 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones. a) Calcula la masa del núcleo y la de los electrones en kg. b) ¿Qué porcentaje de la masa del átomo son los electrones? c) Calcula la carga del núcleo en culombios.
Resolución
a) Núcleo: kg. Electrones: kg.
b) Los electrones son menos de tres diezmilésimas de la masa del átomo.
c) C.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
Calcula la carga, en culombios, del núcleo de un átomo de litio, que tiene 3 protones.
Ver solución
C
C.
2. Fácil
Expresa en u la masa del protón ( kg) y la del electrón ( kg). Dato: kg.
Ver solución
Protón ≈ 1,007 u; electrón ≈ 0,000 55 u ( u).
Protón: u. Electrón: u.
3. Media
El núcleo de helio tiene 2 protones y 2 neutrones. a) Calcula su masa en kg. b) Exprésala en u. c) ¿Qué carga tiene en culombios?
Ver solución
a) kg. b) ≈ 4,03 u (≈ 4 u). c) C.
a) kg. b) u (aproximadamente 4 u, como protones + neutrones). c) C.
4. Media
¿Cuántos electrones hacen falta para igualar la masa de un protón? ¿Y para igualar su carga (en valor)? ¿Qué te dice esto sobre dónde está la masa del átomo?
Ver solución
Unos 1836 para la masa; 1 para la carga. La masa está en el núcleo.
Masa: electrones. Carga: 1 electrón (misma carga en valor). En un átomo neutro hay un electrón por cada protón, así que los electrones aportan muy poca masa: casi toda está en el núcleo.
5. Difícil
Al frotarlo, un globo queda con una carga de C. a) ¿Ha ganado o perdido electrones? ¿Cuántos? b) ¿Cuánta masa ha ganado o perdido? ¿Se notaría en una balanza?
Ver solución
a) Ha ganado unos electrones. b) Ha ganado unos kg: imposible de notar.
a) Carga negativa → ha ganado electrones. Número electrones. b) kg. Es una masa ridícula: ninguna balanza la detectaría.
Para practicar más
1. Fácil
Ordena de menor a mayor masa el protón, el neutrón y el electrón. ¿Cuál no tiene carga? ¿Cuáles tienen la misma carga en valor?
Ver solución
Electrón < protón < neutrón. El neutrón no tiene carga. Protón y electrón tienen la misma carga en valor.
Masas: electrón ( kg) < protón ( kg) < neutrón ( kg); protón y neutrón son casi iguales. El neutrón no tiene carga; protón y electrón tienen C, con signo contrario.
2. Fácil
Calcula la carga en culombios del núcleo de un átomo de nitrógeno, que tiene 7 protones y 7 neutrones.
Ver solución
C
Solo cuentan los protones: C.
3. Media
Un átomo de carbono tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. a) Calcula la masa de sus partículas en kg. b) ¿Qué porcentaje de esa masa son los electrones?
Ver solución
a) kg. b) ≈ 0,027 %.
a) kg. b) .
4. Media
Una barra de vidrio frotada con seda adquiere una carga de C. ¿Ha ganado o perdido electrones? ¿Cuántos?
Ver solución
Ha perdido unos electrones.
Carga positiva → ha perdido electrones. Número electrones.
5. Difícil
El átomo de hidrógeno más común tiene solo un protón y un electrón. ¿Qué porcentaje de su masa está en el núcleo? ¿Es el átomo en el que los electrones «pesan» más en proporción? Razónalo.
Ver solución
≈ 99,95 %. Sí: tiene 1 electrón por cada partícula del núcleo, la proporción más alta posible.
. Sí: en los demás átomos hay, además, neutrones en el núcleo, así que por cada electrón hay más de una partícula pesada. Aun así, en el hidrógeno el electrón solo es el 0,05 % de la masa.