Cargas en el átomo
Lo que vas a aprender
- Nombrar las dos partículas con carga que tiene toda la materia y el signo de la carga de cada una.
- Calcular la carga neta de un cuerpo modelo como protones menos electrones y decir su signo.
- Explicar que un cuerpo se carga porque gana o pierde electrones, y que un cuerpo neutro tiene tantas cargas positivas como negativas.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Frota un globo inflado contra tu pelo seco y acércalo a la pared: se queda pegado, como si tuviera pegante. Pásate una peinilla de plástico por el pelo y acércala a unos papelitos: los levanta de la mesa. Quítate un saco de lana en un día seco y oirás unos chasquidos. Detrás de esas tres escenas hay una misma causa: la carga eléctrica.
En esta unidad vas a entender cómo se carga un cuerpo y por qué los cuerpos cargados se atraen o se alejan. Empezamos por lo más pequeño: las partículas con carga que tiene toda la materia, y una cuenta muy sencilla que dice si un cuerpo está cargado y con qué signo.
Antes de empezar recuerda el modelo de partículas (la materia está hecha de partículas diminutas) y cómo se resta un número mayor de uno menor: el resultado es negativo.
Explicación
Dos clases de carga
Toda la materia está hecha de átomos, partículas tan pequeñas que en un grano de sal caben muchísimos. Dentro de los átomos hay partículas todavía más pequeñas, y dos de ellas tienen carga eléctrica:
- los protones, con carga positiva (+). Están en el centro del átomo, que se llama núcleo, y están bien amarrados allí;
- los electrones, con carga negativa (−). Están en la parte de afuera del átomo, y algunos se pueden soltar y pasar a otro cuerpo.
En el núcleo hay también neutrones, que no tienen carga y por eso no entran en las cuentas de esta unidad. Cómo está hecho el átomo por dentro lo estudiarás más adelante.
La carga de un protón y la de un electrón tienen el mismo tamaño y signo contrario: un protón compensa exactamente a un electrón. Por eso la carga se puede contar con una unidad muy sencilla, la carga elemental: cada protón suma una carga positiva y cada electrón suma una carga negativa.
Neutro no quiere decir «sin cargas»
Una hoja de papel, una peinilla recién comprada o tu cuaderno están llenos de protones y de electrones. Si un cuerpo tiene exactamente tantos electrones como protones, las cargas se compensan y decimos que el cuerpo es neutro. Neutro no es «vacío de cargas»: es equilibrado, como una balanza que tiene el mismo peso en los dos platos. Casi todo lo que te rodea es neutro, y por eso no notas sus cargas.
La carga neta
Para saber si un cuerpo está cargado, y con qué signo, se cuentan sus protones y sus electrones y se hace una resta:
$$\text{carga neta} = \text{protones} - \text{electrones}$$
- Si la resta da cero, el cuerpo es neutro.
- Si da un número positivo, al cuerpo le faltan electrones: tiene carga positiva.
- Si da un número negativo, al cuerpo le sobran electrones: tiene carga negativa.
El tamaño del resultado dice cuántas cargas elementales le sobran o le faltan. Una carga neta negativa de tres, por ejemplo, quiere decir que el cuerpo tiene tres electrones más que protones.
Lo que se mueve son los electrones
Cuando un cuerpo se carga, sus protones no cambian: están amarrados en los núcleos y no pasan de un cuerpo a otro. Lo que cambia es el número de electrones.
- Si un cuerpo neutro gana electrones, queda con carga negativa.
- Si un cuerpo neutro pierde electrones, queda con carga positiva.
Ojo con una trampa muy común: un cuerpo con carga positiva no ganó protones; perdió electrones. Positivo quiere decir «le faltan electrones», no «le sobran protones que le llegaron».
Un modelo con pocas partículas
Un cuerpo de verdad, como un globo, tiene una cantidad tan enorme de protones y de electrones que no tendría sentido escribirla. Para entender la idea usamos cuerpos modelo con pocas partículas, como los de la figura. Los conteos de esta unidad son inventados, pero la regla es la misma que en un globo real: contar los protones, contar los electrones y restar.
En las próximas lecciones verás cómo se cargan los cuerpos al frotarlos o al tocarlos, y por qué dos cuerpos cargados se atraen o se alejan.
Tres cuerpos modelo con los mismos protones (+). El de la izquierda tiene tantos electrones (−) como protones y es neutro; el del centro tiene electrones de más y queda negativo; el de la derecha tiene electrones de menos y queda positivo.
Este átomo de sodio empieza neutro: 11 protones y 11 electrones. Quítale un electrón: los protones no cambian y quedan 10 electrones, así que la carga neta es +1. Devuélveselo y vuelve a ser neutro.
Ejemplo resuelto
Un globo que gana electrones
Un globo modelo neutro tiene 20 protones. Al frotarlo gana 3 electrones. ¿Cuántos electrones tenía antes, cuántos tiene después y cuál es su carga neta al final?
Ver la solución paso a paso
Antes de frotarlo era neutro, así que tenía tantos electrones como protones: 20. Su carga neta era cero:
$$20 - 20 = 0$$
Después tiene sus electrones de antes más los que ganó:
$$20 + 3$$
Es decir:
$$23$$
Los protones no cambiaron: siguen siendo 20. La carga neta es protones menos electrones:
$$20 - 23$$
Que da:
$$-3$$
El resultado es negativo: al globo le sobran tres electrones, y por eso quedó con carga negativa.
Respuesta: Tenía 20 electrones y ahora tiene 23; su carga neta es −3: tres cargas elementales negativas de más.
Ejemplo resuelto
Una barra que pierde electrones
Una barra modelo neutra tiene 25 protones y pierde 4 electrones. ¿Cuál es su carga neta? ¿Cuántos electrones tendría que recuperar para volver a ser neutra?
Ver la solución paso a paso
Como era neutra, tenía 25 electrones. Le quedan:
$$25 - 4$$
Es decir:
$$21$$
La carga neta es protones menos electrones:
$$25 - 21$$
Que da:
$$4$$
Es positiva porque le faltan electrones; sus protones son los mismos de antes. Para volver a ser neutra necesita tantos electrones como protones. Si $n$ es el número de electrones que recupera:
$$21 + n = 25$$
Despejamos $n$:
$$n = 4$$
Respuesta: Su carga neta es +4, y tendría que recuperar 4 electrones para volver a ser neutra.
Ejemplo resuelto
Contar al revés
Un cuerpo modelo tiene 30 protones y su carga neta es −5. ¿Cuántos electrones tiene? ¿Ganó o perdió electrones respecto de cuando era neutro?
Ver la solución paso a paso
Llamamos $n$ al número de electrones. La carga neta es protones menos electrones, y vale −5:
$$30 - n = -5$$
Restamos 30 a los dos lados:
$$-n = -35$$
Y cambiamos el signo a los dos lados:
$$n = 35$$
Si fuera neutro tendría 30 electrones, tantos como protones. Tiene estos de más:
$$35 - 30 = 5$$
Le sobran electrones, así que los ganó. Por eso su carga neta es negativa.
Respuesta: Tiene 35 electrones: ganó 5 respecto de cuando era neutro.
Práctica
Un cuerpo modelo tiene 12 protones y 15 electrones. ¿Cuál es su carga neta, en cargas elementales? Escribe el signo si es negativa.
Carga neta = protones − electrones = 12 − 15 = −3. Tiene tres electrones de más, y por eso su carga es negativa.
Un cuerpo modelo tiene 40 protones y 36 electrones. ¿Cuál es su carga neta?
40 − 36 = +4: le faltan cuatro electrones. −4 sale de restar al revés; 76 es el total de partículas con carga, que no dice nada del signo.
En la figura, el cuerpo de la derecha tiene 4 protones y 2 electrones. ¿Cuál es su carga neta?
4 − 2 = +2. Le faltan dos electrones para ser neutro como el de la izquierda, y por eso es positivo.
Cada opción es la cuenta «protones − electrones» de un cuerpo modelo. Marca todos los cuerpos con carga negativa.
Marca todas las que apliquen.
12 − 15 = −3, 7 − 10 = −3 y 30 − 31 = −1 son negativas: esos cuerpos tienen electrones de más. 20 − 18 = 2 y 14 − 11 = 3 son positivas, y 9 − 9 = 0 es un cuerpo neutro.
Un cuerpo modelo neutro tiene 26 protones. ¿Cuántos electrones tiene?
Neutro quiere decir que tiene tantos electrones como protones: 26. No es un cuerpo sin cargas: tiene 26 positivas y 26 negativas que se compensan.
Un cuerpo modelo tiene 18 protones y su carga neta es +3. ¿Cuántos electrones tiene?
18 − n = 3, así que n = 15. Le faltan tres electrones, y por eso es positivo. 21 sería el número de electrones si la carga fuera −3.
Un cuerpo modelo tiene 14 protones y 10 electrones. ¿Cuántos electrones tiene que ganar para quedar neutro?
Para ser neutro necesita tantos electrones como protones, 14. Tiene 10, así que le faltan 14 − 10 = 4.
Un cuerpo modelo neutro con 22 protones pierde 3 electrones y después gana 3 electrones. ¿Verdadero o falso? Al final vuelve a ser neutro.
Tenía 22 electrones; al perder 3 le quedan 19, y al ganar 3 vuelve a tener 22. Carga neta: 22 − 22 = 0.
Un cuerpo modelo tiene 50 protones y 47 electrones. ¿Verdadero o falso? Tiene carga negativa, porque tiene menos electrones que protones.
50 − 47 = +3. Si le faltan electrones, la carga es positiva. Negativo es cuando le sobran.
Una barra que era neutra quedó con carga positiva. ¿Qué le pasó?
Los protones están amarrados en los núcleos y no pasan de un cuerpo a otro. Si la barra quedó positiva es porque le faltan electrones: los perdió. Si hubiera perdido protones y electrones en la misma cantidad, seguiría neutra.
Un compañero dice que una hoja de papel neutra no tiene cargas eléctricas. ¿Qué le respondes?
Toda la materia tiene protones y electrones. Un cuerpo neutro tiene tantos de unos como de otros: su carga neta es cero, pero está lleno de cargas.
Reto
Lleva cada cuerpo a su canasta.
Cada tarjeta es la cuenta «protones − electrones» de un cuerpo modelo. Haz la resta y decide si el cuerpo es positivo, negativo o neutro.
Reto
¿Cuál cuerpo no es como los demás?
Cada número es la cuenta «protones − electrones» de un cuerpo. Haz las restas y, en cada ronda, toca el cuerpo que no es como los demás: positivo, negativo o neutro.
Reto
El crucigrama de las cargas.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
Toda la materia tiene protones, con carga positiva, y electrones, con carga negativa; la carga de uno compensa exactamente la del otro.
Un cuerpo neutro no es un cuerpo sin cargas, sino uno con tantos electrones como protones.
La carga neta de un cuerpo es protones menos electrones; si da cero es neutro, si da positivo le faltan electrones y si da negativo le sobran.
Un cuerpo se carga porque gana electrones (queda negativo) o los pierde (queda positivo); los protones no se mueven.
Vocabulario
- Protón
Partícula con carga positiva que está en el centro de cada átomo, el núcleo. No pasa de un cuerpo a otro cuando se frotan o se tocan.
- Electrón
Partícula con carga negativa que está en la parte de afuera de cada átomo. Algunos electrones se pueden soltar y pasar a otro cuerpo.
- Carga elemental
La carga de un protón o la de un electrón, sin el signo. Es la unidad con que contamos la carga en esta unidad.
- Cuerpo neutro
Cuerpo que tiene tantos electrones como protones. Está lleno de cargas, pero se compensan.
- Carga neta
El número de protones menos el número de electrones de un cuerpo. Si da cero, el cuerpo es neutro; si no, su signo es el de la carga del cuerpo.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Frote usted un globo contra su pelo o contra un saco de lana y péguelo a la pared o acérquelo a papelitos. Pregunte qué cambió en el globo, si se ve igual que antes.
- Explicación · 15 min — Protones y electrones, cuerpo neutro y carga neta. Arme cuerpos modelo en el tablero o con tapas de dos colores (una para protones y otra para electrones) y resuelva los tres ejemplos moviendo solo las tapas de los electrones.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas; las canastas y el intruso se pueden proyectar y resolver en grupo. Pida que cada pareja justifique en voz alta una respuesta con «le sobran» o «le faltan» electrones.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante dibuja un cuerpo modelo neutro y lo convierte en uno negativo y en uno positivo, sin tocar los protones.
Preguntas para el salón
- Si casi todo lo que nos rodea está lleno de cargas, ¿por qué no lo notamos?
- ¿Por qué decimos que un cuerpo positivo perdió electrones y no que ganó protones?
- Un cuerpo tiene una carga neta de cero. ¿Podemos saber cuántos protones tiene? ¿Qué sí sabemos?
Errores típicos
- Creer que un cuerpo neutro no tiene cargas. Muestre con las tapas un cuerpo neutro con muchas de cada color y pregunte cuántas cargas tiene en total y cuál es su carga neta.
- Creer que un cuerpo positivo ganó protones. Insista en que los protones se quedan en el núcleo; pida que expliquen cada carga positiva como electrones que faltan.
- Restar al revés (electrones − protones) y obtener el signo contrario. Pida que revisen el resultado con una pregunta de sentido común: ¿le sobran o le faltan electrones?
- Sumar protones y electrones en vez de restarlos. Recuerde que un protón y un electrón se compensan, como un paso adelante y un paso atrás: lo que importa es la diferencia.
Tarea sugerida
Inventar tres cuerpos modelo (uno neutro, uno positivo y uno negativo), dibujarlos con sus cargas y escribir la carga neta de cada uno. Explicar por escrito qué tendría que pasarle al cuerpo negativo para volver a ser neutro.