Ejemplos resueltos y ejercicios guiados - Estructura atómica
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Introducción
¿De qué está hecho un átomo? A lo largo de la historia los científicos fueron proponiendo modelos cada vez más precisos para responder a esta pregunta. En esta lección repasamos las partículas que forman el átomo, cómo se distribuyen y cómo calcular cuántas hay de cada tipo, con ejemplos resueltos y ejercicios guiados.
Explicación
El átomo está formado por tres tipos de partículas subatómicas:
Protón: carga positiva (+1), masa aproximada de 1 u. Está en el núcleo.
Neutrón: sin carga, masa aproximada de 1 u. Está en el núcleo.
Electrón: carga negativa (−1), masa unas 1 836 veces menor que la del protón. Está en la corteza.
El núcleo es diminuto comparado con el átomo completo, pero concentra casi toda su masa. La corteza es la zona, mucho mayor, en la que se mueven los electrones.
Para describir un átomo usamos:
Número atómico (Z): número de protones. Identifica el elemento.
Número másico (A): número de protones más neutrones. Los neutrones se calculan con N = A − Z.
En un átomo neutro, electrones = protones. En un ion, el número de electrones cambia: un catión (carga +) ha perdido electrones y un anión (carga −) los ha ganado.
Los modelos atómicos resumen cómo se ha ido descubriendo esta estructura:
Dalton (1808): el átomo es una esfera indivisible.
Thomson (1904): tras descubrir el electrón, propone una esfera de carga positiva con los electrones incrustados.
Rutherford (1911): al bombardear una lámina de oro con partículas alfa, casi todas la atravesaban, pero unas pocas rebotaban. Conclusión: el átomo es casi todo espacio vacío y tiene un núcleo muy pequeño, denso y con carga positiva, con los electrones girando alrededor.
Bohr (1913): los electrones solo pueden moverse en determinadas órbitas o niveles de energía.
Ejemplo
Ejemplo 1. El aluminio tiene Z = 13 y A = 27. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones tiene un átomo neutro?
Ejemplo 2. ¿Cuántos electrones tiene el ion O²⁻ (Z = 8)? ¿Y el ion Mg²⁺ (Z = 12)?
El O²⁻ ha ganado 2 electrones: 8 + 2 = 10 electrones. El Mg²⁺ ha perdido 2 electrones: 12 − 2 = 10 electrones. Ambos iones tienen los mismos electrones, pero son elementos distintos porque tienen distinto número de protones.
Ejercicios
Un ion tiene 20 protones y 18 electrones. ¿Cuál es su carga?
¿Qué concluyó Rutherford a partir de su experimento con la lámina de oro?
Material adicional
Las fuerzas
Una fuerza es toda causa capaz de producir un cambio en el estado de movimiento o en la forma de un cuerpo. Las fuerzas son magnitudes vectoriales: tienen módulo (valor numérico), dirección (la recta a lo largo de la cual actúa) y sentido (hacia dónde apunta).
Unidad de fuerza
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el newton (N). Un newton es la fuerza necesaria para que un cuerpo de 1 kg adquiera una aceleración de 1 m/s².
Efectos de las fuerzas
Las fuerzas pueden producir dos tipos de efectos:
1. Efecto dinámico: modificar el estado de movimiento del cuerpo (ponerlo en movimiento, frenarlo, acelerarlo, cambiar su dirección). 2. Efecto estático: deformar el cuerpo (estirar un muelle, aplastar una pelota).
Tipos de fuerzas
Fuerza
Descripción
Ejemplo
Gravitatoria (peso)
Atracción entre masas. La Tierra atrae a todos los cuerpos.
Un objeto cae al soltarlo
Normal
Fuerza que ejerce una superficie sobre un cuerpo apoyado
Un libro sobre la mesa no cae
Rozamiento
Se opone al movimiento entre superficies en contacto
Un coche frena al dejar de acelerar
Elástica
Fuerza de un muelle al estirarlo o comprimirlo
La goma de un tirachinas
Magnética
Fuerza entre imanes o cargas en movimiento
Un imán atrae clips de hierro
Eléctrica
Fuerza entre cargas eléctricas
Un globo frotado atrae papelitos
El peso y la masa
No debemos confundir masa con peso:
Masa
Peso
¿Qué es?
Cantidad de materia
Fuerza con que la Tierra atrae al cuerpo
Unidad SI
kg
N (newton)
¿Varía según el lugar?
No
Sí (depende de la gravedad)
Instrumento de medida
Balanza
Dinamómetro
🔬 Fórmula clave
Peso:
P = m · g
donde P = peso (N), m = masa (kg), g = aceleración de la gravedad (9,8 m/s² en la Tierra).
📘 Ejemplo resuelto
¿Cuánto pesa una persona de 60 kg en la Tierra? ¿Y en la Luna (g = 1,6 m/s²)?
En la Tierra: P = 60 × 9,8 = 588 N En la Luna: P = 60 × 1,6 = 96 N
La masa de la persona es la misma en ambos lugares (60 kg), pero su peso es muy diferente.
La fuerza de rozamiento
La fuerza de rozamiento aparece cuando dos superficies están en contacto y se opone al movimiento. Depende de:
• La naturaleza de las superficies (rugosas o lisas). • La fuerza normal (cuanto más se aprietan las superficies, mayor es el rozamiento).
El rozamiento tiene efectos positivos (permite caminar, frenar) y negativos (desgasta materiales, genera calor no deseado).
Fuerza resultante
Cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, su efecto es el mismo que el de una sola fuerza llamada fuerza resultante.
• Si las fuerzas tienen el mismo sentido: se suman. FR = F₁ + F₂ • Si tienen sentidos opuestos: se restan. FR = F₁ − F₂ (en el sentido de la mayor) • Si la fuerza resultante es cero, el cuerpo está en equilibrio.
📘 Ejemplo resuelto
Dos personas empujan un coche. Una aplica 300 N y la otra 200 N, ambas en el mismo sentido. FR = 300 + 200 = 500 N (en el sentido de las fuerzas).
Si empujan en sentidos opuestos: FR = 300 − 200 = 100 N (en el sentido de la fuerza de 300 N).
🤔 ¿Sabías que…?
En el espacio, donde no hay aire ni rozamiento, un objeto que se pone en movimiento sigue moviéndose indefinidamente en línea recta y a velocidad constante. Este es el principio de la inercia, enunciado por Isaac Newton.
✏️ Ejercicios
1. Define fuerza y explica sus dos efectos principales.
2. ¿Cuál es la unidad de fuerza en el SI? ¿Cómo se define?
3. Calcula el peso de un objeto de 25 kg en la Tierra (g = 9,8 m/s²).
4. ¿Cuál es la masa de un cuerpo que pesa 490 N en la Tierra?
5. Un astronauta tiene una masa de 80 kg. Calcula su peso en la Tierra (g = 9,8 m/s²) y en Marte (g = 3,7 m/s²).
6. Explica la diferencia entre masa y peso.
7. Dos fuerzas de 150 N y 200 N actúan sobre un cuerpo en el mismo sentido. ¿Cuál es la resultante?
8. Sobre un cuerpo actúan dos fuerzas: 400 N hacia la derecha y 250 N hacia la izquierda. Calcula la fuerza resultante.
9. Enumera tres situaciones donde el rozamiento es beneficioso y tres donde es perjudicial.
10. ¿Qué ocurre cuando la fuerza resultante sobre un cuerpo es cero?
📋 Resumen de la lección
Una fuerza es toda causa que puede cambiar el movimiento o la forma de un cuerpo.
La unidad de fuerza es el newton (N).
El peso es la fuerza gravitatoria: P = m · g.
Masa y peso son conceptos diferentes: la masa es constante, el peso depende de la gravedad.
La fuerza resultante es la suma vectorial de todas las fuerzas; si es cero, el cuerpo está en equilibrio.
La fuerza de rozamiento se opone al movimiento entre superficies en contacto.
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