De los elementos a las sustancias
Lo que vas a aprender
- Distinguir una sustancia simple de un compuesto contando las clases de átomos de su fórmula.
- Leer una fórmula química, decir qué elementos tiene y cuántos átomos de cada uno, y ubicar esos elementos en la tabla.
- Calcular la masa de una molécula sencilla sumando las masas atómicas, en u.
- Diferenciar un compuesto de una mezcla.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Con las letras del alfabeto se escriben todas las palabras del español. Con poco más de cien elementos químicos pasa algo parecido: combinándolos se forman el agua que bebes, la sal de la sopa, el gas de la estufa y los millones de sustancias que existen. La tabla periódica es el alfabeto; las fórmulas químicas son las palabras.
En esta lección vas a aprender a leer esas palabras: qué elementos tiene una sustancia, cuántos átomos de cada uno, dónde están esos elementos en la tabla y cuánta masa tiene una molécula. También vas a distinguir con seguridad un elemento de un compuesto y un compuesto de una mezcla.
Explicación
Elementos y sustancias
Un elemento es una clase de átomo. Todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones, todos los de carbono tienen 6: el número atómico Z dice de qué elemento es un átomo. Una sustancia, en cambio, es una clase de materia con una composición fija, como el agua, la sal o el oxígeno del aire. Las sustancias se forman cuando los átomos de los elementos se unen entre sí. Cómo y por qué se unen lo estudiarás en 8.º; aquí vamos a ver qué resulta de esas uniones.
Sustancias simples y compuestos
Hay dos clases de sustancias puras:
- Una sustancia simple está formada por una sola clase de átomos. El hierro de un clavo (Fe) y el helio de un globo (He) son sustancias simples. También lo es el oxígeno que respiramos, O₂, aunque su molécula tenga dos átomos: los dos son de oxígeno.
- Un compuesto está formado por átomos de dos o más elementos unidos en una proporción fija. El agua (H₂O), el dióxido de carbono (CO₂) y el cloruro de sodio (NaCl), que es casi toda la sal de cocina, son compuestos.
La pregunta que decide no es «¿cuántos átomos tiene?», sino «¿cuántas clases de átomos tiene?». Una clase: sustancia simple. Dos o más: compuesto.
Moléculas
Muchas sustancias están hechas de moléculas: grupos de átomos unidos que se comportan como una unidad. Una molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; una de oxígeno, dos átomos de oxígeno. No todas las sustancias forman moléculas sueltas. En la sal de cocina, el sodio y el cloro forman un cristal, una red ordenada donde por cada sodio hay un cloro. Su fórmula, NaCl, no describe una molécula: dice esa proporción.
Cómo se lee una fórmula
- Los símbolos dicen qué elementos hay: en CO₂, carbono y oxígeno.
- El subíndice, el número pequeño de abajo, dice cuántos átomos hay del símbolo que tiene justo antes. Si no hay subíndice, hay un solo átomo: en CO₂ hay un carbono y dos oxígenos.
- Un número grande delante de la fórmula cuenta moléculas: 3H₂O son tres moléculas de agua.
Cada símbolo de una fórmula es una casilla de la tabla periódica, y así puedes saber de qué familia es cada elemento. El agua junta dos no metales; la sal junta un metal del grupo 1, el sodio, con un no metal del grupo 17, el cloro.
Un compuesto es algo nuevo
Las propiedades de un compuesto no se parecen a las de sus elementos. El sodio es un metal blando que reacciona con violencia en el agua; el cloro es un gas venenoso de color verdoso. Unidos forman la sal que le echas a la comida. El hidrógeno y el oxígeno son gases, y unidos forman agua líquida.
Eso marca la diferencia con una mezcla, que ya estudiaste en 6.º. En una mezcla, como el agua de mar o el aire, cada componente conserva sus propiedades, sus componentes pueden estar en proporciones que cambian y se separa con métodos físicos, como evaporar o filtrar. Un compuesto tiene una proporción fija, que su fórmula dice, y solo se separa en sus elementos con un cambio químico.
La masa de una molécula
La masa de una molécula se obtiene sumando las masas atómicas de todos sus átomos, en unidades de masa atómica (u). Escribimos Mₘ(H₂O) para la masa de una molécula de agua y, como en la primera lección de la unidad, Mₘ(H) para la masa atómica del hidrógeno: con un símbolo solo, Mₘ es la masa de un átomo. Usamos las masas atómicas redondeadas al entero, salvo la del cloro, que se usa con 35,5 u porque está muy lejos de un entero.
Ejemplo resuelto
Leer la fórmula del amoníaco
El amoníaco, que se usa en algunos limpiadores, tiene la fórmula NH₃. ¿Qué elementos tiene, cuántos átomos de cada uno y dónde está el nitrógeno en la tabla?
Ver la solución paso a paso
Los símbolos son N (nitrógeno) y H (hidrógeno). N no lleva subíndice: hay un átomo de nitrógeno.
$$\text{átomos de N en }\mathrm{NH_{3}} = 1$$
El subíndice 3 va detrás de la H: hay tres átomos de hidrógeno.
$$\text{átomos de H en }\mathrm{NH_{3}} = 3$$
En total, la molécula tiene:
$$\text{átomos de N en }\mathrm{NH_{3}} + \text{átomos de H en }\mathrm{NH_{3}} = 4$$
El nitrógeno tiene Z = 7, repartido como 2 + 5: dos niveles (periodo 2) y 5 electrones de valencia (grupo 15).
$$Z(\mathrm{N}) - 2 + 10 = 15$$
Tiene dos clases de átomos, nitrógeno e hidrógeno, así que el amoníaco es un compuesto.
Respuesta: Tiene 1 átomo de nitrógeno y 3 de hidrógeno (4 en total); es un compuesto, y el nitrógeno está en el periodo 2 y el grupo 15.
Toca cada botón y gira la molécula. Cuenta las bolas de cada color y compáralas con la fórmula: el subíndice dice cuántos átomos de cada elemento hay. Fíjate también en la forma: el agua es angular, el CO₂ es recto, el metano es un tetraedro y el amoníaco, una pirámide.
Ejemplo resuelto
¿Sustancia simple o compuesto? El O₂ y el CO₂
Las fórmulas O₂ y CO₂ se parecen mucho. ¿Cuál es una sustancia simple y cuál un compuesto?
Ver la solución paso a paso
Todo átomo con Z = 8 es de oxígeno:
$$Z(\mathrm{O}) = 8$$
En O₂ todos los átomos son de oxígeno:
$$\text{átomos de O en }\mathrm{O_{2}} = 2$$
Dos átomos, pero una sola clase: el O₂ es una sustancia simple, el oxígeno que respiramos.
En CO₂ hay un átomo de carbono:
$$\text{átomos de C en }\mathrm{CO_{2}} = 1$$
y dos de oxígeno:
$$\text{átomos de O en }\mathrm{CO_{2}} = 2$$
En total tiene tres átomos de dos clases: el CO₂ es un compuesto, el dióxido de carbono que sale cuando exhalamos.
$$\text{átomos de C en }\mathrm{CO_{2}} + \text{átomos de O en }\mathrm{CO_{2}} = 3$$
Respuesta: El O₂ (2 átomos, una sola clase) es una sustancia simple; el CO₂ (3 átomos, dos clases) es un compuesto.
Ejemplo resuelto
La masa de una molécula de agua y de una de CO₂
Con las masas redondeadas de la tabla (H: 1 u, C: 12 u, O: 16 u), calcula la masa de una molécula de agua, H₂O, y la de una de dióxido de carbono, CO₂.
Ver la solución paso a paso
La molécula de agua tiene dos hidrógenos y un oxígeno:
$$M_m\left(\mathrm{H_{2}O}\right)$$
$2 \cdot M_m\left(\mathrm{H}\right) + M_m\left(\mathrm{O}\right)$
$2 \cdot 1 + 16$
Una molécula de agua tiene 18 u:
$$18$$
La de CO₂ tiene un carbono y dos oxígenos:
$$M_m\left(\mathrm{CO_{2}}\right)$$
$12 + 2 \cdot 16$
Una molécula de CO₂ tiene 44 u:
$$44$$
Aunque las dos tienen tres átomos, la de CO₂ tiene más masa, porque el carbono y el oxígeno tienen mucha más masa que el hidrógeno.
Respuesta: Una molécula de agua tiene 18 u y una de dióxido de carbono, 44 u.
Ejemplo resuelto
La sal de cocina
La sal de cocina tiene la fórmula NaCl. ¿De qué familias son sus elementos y cuál es la masa de una unidad NaCl (Na: 23 u, Cl: 35,5 u)?
Ver la solución paso a paso
Por cada sodio hay un cloro:
$$\text{átomos de Na en }\mathrm{NaCl} = \text{átomos de Cl en }\mathrm{NaCl}$$
El sodio tiene Z = 11 y 1 electrón de valencia: está en el grupo 1, es un metal.
$$Z(\mathrm{Na}) - 2 - 8 = 1$$
El cloro tiene Z = 17 y 7 electrones de valencia: está en el grupo 17, es un no metal.
$$Z(\mathrm{Cl}) - 2 - 8 + 10 = 17$$
La masa de una unidad NaCl es la suma de las dos masas atómicas:
$$M_m\left(\mathrm{NaCl}\right)$$
$23 + 35{,}5$
$58{,}5$
Respuesta: La sal une un metal (sodio, grupo 1) con un no metal (cloro, grupo 17); una unidad NaCl tiene 58,5 u.
Práctica
El metano, el gas de muchas estufas, tiene la fórmula CH₄. ¿Cuántos átomos de hidrógeno tiene una molécula?
El subíndice 4 va detrás de la H: cuatro átomos de hidrógeno, unidos a un carbono.
¿Cuántos átomos tiene en total una molécula de metano, CH₄?
Un carbono (la C no lleva subíndice) más cuatro hidrógenos: 1 + 4 = 5 átomos.
¿Cuántas clases de átomos (elementos distintos) tiene el amoníaco, NH₃?
Tiene 4 átomos, pero de solo dos clases: nitrógeno e hidrógeno. Por eso es un compuesto.
¿Verdadero o falso? El oxígeno que respiramos, O₂, es un compuesto, porque su molécula tiene dos átomos.
Sus dos átomos son de la misma clase, oxígeno. Para ser compuesto necesitaría átomos de dos o más elementos: el O₂ es una sustancia simple.
¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en 3H₂O, es decir, en tres moléculas de agua?
Cada molécula tiene 2 hidrógenos, y hay 3 moléculas: 3 · 2 = 6.
Con las masas redondeadas de la tabla (N: 14 u, H: 1 u), ¿cuál es la masa de una molécula de amoníaco, NH₃, en u?
Un nitrógeno y tres hidrógenos: 14 + 3 · 1 = 17 u.
Con C: 12 u y H: 1 u, ¿cuál es la masa de una molécula de metano, CH₄, en u?
12 + 4 · 1 = 16 u. Si da 13, se olvidó el subíndice 4; si da 52, se multiplicó también el carbono por 4.
¿Verdadero o falso? Una molécula de CO₂ tiene más masa que una de H₂O.
44 u frente a 18 u. Las dos tienen tres átomos, pero el carbono y el oxígeno tienen mucha más masa que el hidrógeno.
En el metano, CH₄, el carbono tiene Z = 6. ¿En qué grupo de la tabla está?
6 = 2 + 4: tiene 4 electrones de valencia y está en el grupo 14. El 2 es su periodo y el 6, su número atómico.
El agua de mar tiene agua y sales disueltas; el agua destilada solo tiene moléculas de H₂O. ¿Qué afirmación es correcta?
El agua de mar junta varias sustancias en una proporción que cambia y se separa evaporando: es una mezcla. El agua destilada es una sola sustancia con dos clases de átomos: un compuesto, no una sustancia simple.
El sodio es un metal que reacciona con violencia en el agua y el cloro es un gas venenoso. ¿Por qué la sal de cocina, NaCl, se puede comer?
En un compuesto los elementos están unidos y forman algo nuevo. Siguen siendo sodio y cloro (sus átomos no cambian), pero la sustancia que forman tiene otras propiedades.
Reto
¿Sustancia simple, compuesto o mezcla?
Lleva cada material a su canasta. Pregúntate: ¿es una sola sustancia? Si lo es, ¿cuántas clases de átomos tiene?
Reto
Une cada molécula con su masa en u.
Mₘ es la masa de una molécula (con un símbolo solo, la de un átomo). Suma las masas atómicas: H 1, C 12, N 14, O 16.
Reto
Abre el candado de las fórmulas.
Cada pista da un dígito. Lee los subíndices: si un símbolo no tiene, hay un solo átomo.
Cierre
En resumen
Un elemento es una clase de átomo; las sustancias se forman cuando los átomos de los elementos se unen.
Una sustancia simple tiene una sola clase de átomos (Fe, He, O₂); un compuesto tiene dos o más (H₂O, CO₂, NaCl).
En una fórmula, los símbolos dicen qué elementos hay y los subíndices cuántos átomos de cada uno; sin subíndice hay uno.
Un compuesto tiene proporción fija y propiedades nuevas; una mezcla conserva las propiedades de sus componentes y se separa con métodos físicos.
La masa de una molécula es la suma de las masas atómicas de sus átomos, en u.
Vocabulario
- Elemento químico
Clase de átomos que tienen todos el mismo número de protones, es decir, el mismo número atómico Z.
- Sustancia simple
Sustancia formada por átomos de un solo elemento, sueltos o unidos en moléculas, como el hierro (Fe) o el oxígeno (O₂).
- Compuesto
Sustancia formada por átomos de dos o más elementos unidos en una proporción fija, como el agua (H₂O).
- Molécula
Grupo de átomos unidos que se comporta como una unidad, como la de agua (H₂O) o la de oxígeno (O₂).
- Fórmula química
Escritura que dice qué elementos forman una sustancia (los símbolos) y cuántos átomos de cada uno hay (los subíndices).
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Compare el alfabeto con la tabla periódica: pocas letras, muchísimas palabras. Pida ejemplos de sustancias de la casa.
- Explicación · 15 min — Sustancia simple, compuesto y mezcla; resuelva en el tablero el O₂ frente al CO₂ y la masa de la molécula de agua.
- Práctica · 15 min — Preguntas en parejas con la tabla periódica a la vista; las canastas se hacen en voz alta, justificando cada elección.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante escribe una fórmula de la lección y dice qué elementos tiene, cuántos átomos de cada uno y si es sustancia simple o compuesto.
Preguntas para el salón
- ¿Puede una sustancia simple tener moléculas de más de un átomo? Den un ejemplo.
- Si el agua tiene hidrógeno, un gas que arde, ¿por qué el agua apaga el fuego?
- ¿Cómo separaría la sal del agua de mar? ¿Y el sodio del cloro de la sal?
Errores típicos
- Decir que el O₂ es un compuesto porque tiene dos átomos. Insista en la pregunta que decide: ¿cuántas clases de átomos? Compare O₂ con CO₂ en el tablero.
- Aplicar el subíndice a todos los símbolos de la fórmula (leer CH₄ como cuatro carbonos y cuatro hidrógenos). Subraye que el subíndice solo afecta al símbolo que tiene justo antes.
- Confundir compuesto con mezcla. Compare agua de mar y agua destilada: proporción variable o fija, propiedades conservadas o nuevas, separación física o química.
Tarea sugerida
Buscar en la casa tres productos cuya etiqueta nombre una sustancia (por ejemplo, el bicarbonato de sodio o el cloruro de sodio de la sal), averiguar su fórmula en el libro o con el docente, contar los átomos de cada elemento y ubicar esos elementos en la tabla.