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Magnitudes Atómico Moleculares

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ESCUELA SUPERIOR DE COMERCIO

CARLOS PELLEGRINI
Química – 3° Año

MAGNITUDES ATÓMICO MOLECULARES


Conceptos básicos
 En las fórmulas químicas se combinan los símbolos de los elementos que las forman,
utilizando como subíndices números enteros para indicar el tipo y número de átomos
contenidos en la unidad más pequeña de un compuesto. (NaCl - CO2 - H2O - HNO3 - Mg(OH)2
- CaCO3)
 La fórmula molecular indica el número y tipo específico de átomos combinados en cada molécula de
un compuesto. La fórmula empírica muestra la relación más sencilla de los átomos que forman una
molécula.
 Los compuestos químicos pueden ser compuestos covalentes o moleculares (en los que la unidad
más pequeña son moléculas individuales discretas) o bien compuestos iónicos, constituidos por
cationes y aniones.
Masa atómica
A partir de ahora utilizaremos lo aprendido acerca de la estructura y las fórmulas químicas para estudiar las
relaciones de masa de los átomos y las moléculas.

No te asustes no las vamos a evaluar ni pretendemos que las escribas… Te vamos a ir guiando con sus
nombres para que los recuerdes.

Estas relaciones ayudarán a su vez a explicar la composición de los compuestos y la manera como se efectúan
los cambios de composición. La masa de un átomo depende del número que contiene de electrones,
protones y neutrones. El conocimiento de la masa de un átomo es importante para el trabajo experimental.
Sin embargo, los átomos son partículas extremadamente pequeñas, ¡incluso la partícula más pequeña de
polvo que puede apreciarse a simple vista contiene 10 16 átomos! Obviamente no es posible pesar un solo
átomo, pero existen métodos experimentales para determinar masa en relación con la de otro.
El primer paso consiste en asignar un valor a la masa de un átomo de un elemento determinado para
utilizarlo como referencia.

Por acuerdo internacional, la masa atómica (algunas veces conocida como peso atómico) es la masa de un
átomo, en unidades de masa atómica (uma).

Una unidad de masa atómica se define como una masa exactamente igual a un doceavo de la masa de un
átomo de carbono-12. El carbono-12 es el isótopo del carbono que tiene seis protones y seis neutrones. Al
fijar la masa del carbono-12 como 12 uma, se tiene al átomo que se utiliza como referencia para medir la
masa atómica de los demás elementos. Por ejemplo, ciertos experimentos han demostrado que, en
promedio, un átomo de hidrógeno tiene sólo 8.400% de la masa del átomo de carbono-12. De modo que si
la masa de un átomo de carbono-12 es exactamente de 12 uma, la masa atómica del hidrógeno debe ser de
0.084 × 12.00 uma, es decir, 1.008 uma.

¿Dónde encuentro este valor? En nuestra más que necesaria, en esta etapa, Tabla Periódica.
Con cálculos semejantes se demuestra que la masa atómica del oxígeno es de 16.00 uma y que la del hierro
es de 55.85 uma. Aunque no se conoce la masa promedio de un átomo de hierro, se sabe que es alrededor
de 56 veces mayor que la masa de un átomo de hidrógeno.

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Número de Avogadro y masa molar de un elemento

Las unidades de masa atómica constituyen una escala relativa de las masas de los elementos. Pero debido a
que los átomos tienen masas tan pequeñas, no es posible diseñar una balanza para pesarlos mediante
unidades calibradas de masa atómica. En cualquier situación real, se manejan muestras macroscópicas que
contienen una enorme cantidad de átomos. Por consiguiente, conviene tener una unidad especial para
referirse a una gran cantidad de átomos.
Esta idea no es nueva; por ejemplo, el par (2 objetos), la docena (12 objetos), la centena (100 objetos) son
unidades de uso común. Los químicos miden a los átomos y a las moléculas en moles. En el SI (Sistema
Internacional de Unidades), el mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades
elementales (átomos, moléculas u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 g (o 0,012 kg)
del isótopo de carbono-12. El número real de átomos en 12 g de carbono-12 se determina
experimentalmente.
Este número se denomina número de Avogadro (NA), en honor del científico italiano Amadeo Avogadro. El
valor comúnmente aceptado es NA = 6,0221415 × 1023
Por lo general, este número se redondea a 6,02 × 10 23.
Así, igual que una docena de naranjas contiene 12 naranjas, 1 mol de átomos de hidrógeno contiene 6,02 ×
1023 átomos de hidrógeno.
La extensión del número de Avogadro es difícil de imaginar. Por ejemplo, si se distribuyeran 6,22 × 10 23
naranjas sobre la superficie de la tierra, ¡se produciría una capa de 14,49 km hacia el espacio!
Debido a que los átomos (y moléculas) son tan diminutos, es necesario un número inmenso para estudiarlos
en cantidades manejables.

Para saber algo más sobre el Número de Avogadro


Esta definición: mol es la cantidad de una sustancia que contiene tantas entidades elementales (átomos,
moléculas u otras partículas) como átomos hay exactamente en 12 g (o 0,012 kg) del isótopo de carbono-
12, ha sido de gran utilidad para la comunidad química. Sin embargo, en los últimos años, aprovechando que
se estaba preparando una revisión del SI, la comunidad química propuso considerar una nueva definición
del mol que lo desvinculara del kilogramo. De este modo, se reconocería la naturaleza estequiométrica de
la química. Para ello se podría fijar un valor exacto del número de Avogadro y por consiguiente de la
constante de Avogadro.
La 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas realizada en 2018, (Versailles, 13-16 de noviembre),
adoptó como nueva definición del mol la siguiente [CGPM]:

El mol, símbolo mol, es la unidad SI de cantidad de sustancia. Un mol contiene exactamente


6,022 140 76 × 1023 entidades elementales. Esta cifra es el valor numérico fijo de la constante
de Avogadro, NA, cuando se expresa en la unidad mol-1, y se denomina número de Avogadro.

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La cantidad de sustancia, símbolo n, de un sistema, es una medida del número de entidades elementales
especificadas. Cuando se usa el mol, las entidades elementales deben especificarse y pueden
ser átomos, moléculas, iones, electrones, o cualquier otra partícula o grupo especificado de partículas.
El número de unidades elementales —átomos, moléculas, iones, fotones, electrones, radicales u
otras partículas o grupos específicos de estas— existentes en un mol de sustancia es, por definición, una
constante que no depende del material ni del tipo de partícula considerado.
Por lo tanto:
1 mol de unidades elementales = 6,02214076 x 1023 unidades elementales

Nosotros utilizaremos su valor de 3 cifras significativas:

1 mol de unidades elementales = 6, 02 x 1023 unidades elementales

Como consecuencia de la definición del mol, la constante de Avogadro y el número de Avogadro ya


no tienen una incertidumbre experimental en el SI.

Ordenemos estas ideas…


Hemos visto que 1 mol de átomos de carbono-12 tiene una masa exactamente de 12 g y contiene 6,02 × 1023
átomos. Esta cantidad de carbono es su masa molar (M) y se define como la masa (en gramos o kilogramos)
de 1 mol de unidades (como átomos o moléculas) de una sustancia.
En los cálculos, las unidades de masa molar son g/mol o kg/mol.

¡Ahora es momento de comprobar en la tabla periódica que lo que digo en este texto sea verdad!

Observemos que la masa molar del carbono (en gramos) es numéricamente igual a su masa atómica
expresada en uma. De igual forma la masa atómica del sodio (Na) es de 22,99 uma y su masa molar es de
22,99 g; la masa atómica del fósforo es de 30,97 uma y su masa molar es de 30,97 g, y así sucesivamente. La
masa atómica expresada en gramos la denominamos con A.
Si conocemos la masa atómica de un elemento, también conocemos su masa molar. Una vez que sabemos
la masa molar y el número de Avogadro, es posible calcular la masa, en gramos, de un solo átomo de
carbono-12.
Por ejemplo, sabemos que la masa molar del carbono-12 es de 12,00 g y que hay 6,02 × 1023 átomos de
carbono-12 en 1 mol de sustancia; por tanto, la masa de un átomo de carbono-12 está dada por

6,02 × 1023 átomos de carbono-12 ------------- 12,00 g


1 átomo de carbono-12 ------------- x=

12,00 g de átomos de carbono-12


= 1.993 x 10 -23g
6,02 × 1023 átomos de carbono-12

Entonces, 1 átomo de carbono pesa 1.993 x 10 -23g

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Como el átomo de carbono-12 está constituido por 6 protones y 6 neutrones (por eso su número
másico es 12, A=12), podemos decir:

12 partículas elementales (p/n) ------------- 1.993 x 10 -23g


1 partícula elemental (p/n) ------------- x= 1.661 × 10 -24 g

Así llegamos a la conclusión que el valor, en gramos, de 1 uma es de 1.661 × 10 -24 g

1 uma = 1.661 × 10 -24 g

Ahora bien, encontremos una relación entre el número de Avogadro (NA) y la masa en gramos
de dicha cantidad. Si tenemos

1 uma ------------- 1.661 × 10 -24 g

6,02 × 1023 uma -------------- x= 1,00 g

1 g = 6,02 × 1023 uma

Para recordar:
1 uma = 1.661 × 10 -24 g

1 g = 6,02 × 1023 uma

Este ejemplo nos muestra que el número de Avogadro se puede utilizar para convertir unidades de masa
atómica a masa en gramos y viceversa.

Ahora veamos cómo podemos usar los conceptos de número de Avogadro y masa molar para efectuar
conversiones entre masa y moles de átomos y entre moles y número de átomos.

Una ecuación muy útil es n = m/M donde n es número de mol; m la masa de la sustancia y M la masa
molar.

Vamos al primer ejemplo:


1. El helio (He) es un gas valioso utilizado en la industria, en investigaciones en las que se requiere
baja temperatura, en los tanques para buceo profundo y para inflar globos. ¿Cuántos moles de
átomos de He hay en 6,46 g de Helio?

Analicemos: tenemos la información de los gramos de helio y requerimos saber cuántos moles de
helio hay. ¿Qué factor de conversión necesitamos para convertir los gramos en moles?

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Resolvamos
El factor de conversión necesario para convertir gramos en moles es la masa molar. En la tabla
periódica observamos que la masa molar del He es 4,003 g. Esto se puede expresar como 1 mol He
= 4,00 g He

Entonces si 4,00 g 1 mol de He


6,46 g x = 1,61 mol de He
Resulta entonces 1,61 moles de átomos de He pesan 6,46 g de He.

Verifiquemos Debido a que la masa proporcionada (6,46 g) es mayor que la masa molar del He, se espera
tener más de 1 mol de He.

Ahora veamos otro concepto que es necesario para poder continuar y poder calcularlo con facilidad.

Masa molecular
Podemos calcular la masa de las moléculas si conocemos las masas atómicas de los átomos que las forman.
La masa molecular (algunas veces denominada peso molecular) es la suma de las masas atómicas (en uma)
en una molécula.

Por ejemplo, la masa molecular del H2O es:


2 (masa atómica del H) + masa atómica del O o bien 2 (1,008 uma) + 16,00 uma = 18,02 uma

En general, necesitamos multiplicar la masa atómica de cada elemento por el número de átomos de ese
elemento presente en la molécula y sumar todos los resultados.

Calculemos la masa molecular de cada uno de los siguientes compuestos: a) dióxido de azufre (SO2) y b)
cafeína (C8H10N4O2).
Analicemos ¿Cómo se combinan las masas atómicas de diferentes elementos para producir la masa
molecular de un compuesto?

Resolvamos Para calcular la masa molecular es necesario sumar todas las masas atómicas en la molécula.
Se multiplica la masa atómica de cada elemento por el número de átomos presentes en la molécula. Su
masa atómica se puede encontrar en la tabla periódica
a) En el dióxido de azufre hay dos átomos de O y un átomo de S, por lo que masa molecular de
SO2 = 32 uma + 2 (16 uma) = 64 uma
b) En la cafeína hay ocho átomos de C, diez átomos de H, cuatro átomos de N y dos átomos de O, por lo
que la masa molecular de C8H10N4O2 se obtiene mediante
8 (12,01 uma) + 10 (1,008 uma) + 4 (14,01 uma) + 2 (16,00 uma) = 194,20 uma
3.5
A partir de la masa molecular podemos determinar la masa molar de una molécula o un compuesto. La
masa molar de un compuesto (en gramos) es numéricamente igual a su masa molecular (en uma). Por
ejemplo, la masa molecular del agua es 18,02 uma, por lo que su masa molar es 18,02 g.
Observamos que 1 mol de agua pesa 18,02 g y contiene 6,02 × 10 23 moléculas de H2O, así como 1 mol de
carbono contiene 6,02 × 1023 átomos de carbono.

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Sigamos resolviendo ejemplos juntos:

1. Calcular el número de átomos en total de cada especie en una molécula y en un mol de moléculas de
las siguientes sustancias:
a. H2SO4 (ácido sulfúrico)
b. C2H5OH (etanol o alcohol etílico)
c. C12H22O11 (sacarosa o azúcar de caña)

Resolución

a. Una molécula de H2SO4 está formada por: 2 átomos de H, un átomo de S y cuatro átomos de O.

Un mol de moléculas de H2SO4 está formada por: 2 mol de átomos de H, un mol de átomos de S y 4 mol
de átomos de O.
Según la constante de Avogadro o número de Avogadro por cada mol hay 6,02 x 1023 unidades en este
caso átomos.
NA = 6,02 x 1023
Volviendo al H2SO4 si en cada mol de átomos hay 6,02 x 1023 átomos será:
2 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de H/mol = 1,204 x 1024 átomos de H
1 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de S/mol = 6,02 x 1023 átomos de S
4 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de O/mol = 2,4 x 1024 átomos de O

b. Aplicamos el mismo razonamiento para etanol y sacarosa


Una molécula de C2H5OH está formada por: 2 átomos de carbono 5 + 1 = 6 átomos de H y un átomo de
oxígeno.

Un mol de moléculas de C2H5OH está formado por: 2 mol de átomos de C, 6 mol de átomos de H y un
mol de átomos de O.

2 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de C/mol = 1,204x1024 átomos de C


6 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de H/mol = 3,61x1024 átomos de H
1 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de O/mol = 6,02 x 1023 átomos de O

c. Una molécula de C12H22O11 está formada por: 12 átomos de carbono, 22 átomos de H y 11 átomos de
oxígeno.

Un mol de moléculas de C12H22O11 está formado por: 12 mol de átomos de C, 22 mol de átomos de H y 11
mol de átomos de O.
12 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de C/mol = 7,22 x1024 átomos de C
22 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de H/mol = 1,32x1025 átomos de H
11 mol de átomos x 6,02 x 1023 átomos de O/mol = 6,62 x 1024 átomos de O

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2. Un adulto normal tiene en sangre 4,8 x 10 6 eritrocitos (glóbulos rojos) por mm3, siendo su volumen
sanguíneo equivalente a 5 litros.
a. ¿Cuántos eritrocitos tiene en sangre?
b. ¿Cuántas docenas de eritrocitos?
c. ¿Cuántos moles de eritrocitos?

Resolución
Datos: 4,8 x 10 6 eritrocitos tiene en 1 mm3
El volumen sanguíneo equivale a 5 l expresado en unidades de volumen son 5 dm3
a. Como sabemos que 1 mm3 tiene 4,8 x 10 6 eritrocitos

5 dm3 = 5000 cm3 = 5000000 mm3

Entonces si 1 mm3 4,8 x 10 6 eritrocitos


5000000 (5x106) mm3 x = 2,4 x 1013 eritrocitos.

b. = 2,0 1012 docena

c. Numero de mol
6,02 x 1023 eritrocitos 1 mol
2,4 x 1013 eritrocitos x = 3,98 x 10-11 mol

3. Un anillo de oro que pesa 2 g, tiene aproximadamente 6 x 1021 átomos de oro. Con esta información
calcula cuánto pesa un átomo de oro.

Si 6 x 1021 átomos de oro 2g


1 átomo de oro x = 3,33 x 10-22 g

Este resultado muestra que la masa de un átomo es muy pequeña.

4. ¿Dónde hay más átomos de oxígeno, en 5 x 1018 moléculas de oxígeno (O2) o en 900 x 1015 moléculas
de ozono (O3)?

Resolución

En 1 molécula de O2 2 átomos de O
5x 1018 moléculas de oxígeno (O2) x = 1 x 1019 átomos de O

1 molécula de O3 3 átomos de O
900 x 1015 moléculas de ozono (O3) x = 2,7 x 1018 átomos de O
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El número de átomos de oxígeno es mayor en las moléculas de oxígeno que en las moléculas de ozono.

5. Alrededor del 75 % del peso corporal humano está constituido por agua; para una persona de 65
kg, calcular:
a. Cuantos moles de moléculas de agua conforman su organismo.
b. Cuantas moléculas de agua
c. Cuantos átomos de hidrogeno

Resolución
Si consideramos que
100% 65 kg
75 % x = 48,75 kg en agua

a. Numero de mol de agua

Para ello calculamos la masa molar del agua


MH2O = AH x 2 + AO
MH2O = 1 g x 2 + 16 g
MH2O = 18 g/mol

18 g 1 mol de agua
48750 g x = 2708,33 mol de agua o 2,71 x 103 mol

b. 1 mol de moléculas 6,02 x 1023 moléculas de agua

2,71 x 103 mol de moléculas x = 1,63 x1027 moléculas de agua

c. Si en 1 mol de moléculas de agua 2 mol de átomos de H


2,71 x 103 mol de moléculas x = 5,42 x 103 mol de átomos de H

1 mol de átomos 6,02 x 1023 átomos de H


5,42 x 103 mol de átomos x = 3,26 x 1027 átomos de H

6. La nitroglicerina es un explosivo con fórmula C3H5(NO3)3 calcular su masa molar y el número total de
átomos de oxígeno que la forman.

Resolución
M C3H5(NO3)3 = A C x 3 + A H x 5 + (A N + A O x 3) x 3
M C3H5(NO3)3 = 12 g x 3 + 1 g x 5 + (14 g + 16 g x 3) x 3
M C3H5(NO3)3 = 227 g /mol
Si hay en total 9 mol de átomos de O en un mol de moléculas de C3H5(NO3)3 entonces debemos multiplicar
el número de Avogadro por 9 mol de átomos:
6,02 x 1023 átomos/mol x 9 mol de átomos = 5,42 x 10 24 átomos de oxígeno.

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Guía de ejercicios – Magnitudes atómico moleculares


1. Calcular la masa de:
a. 3 moles de agua oxigenada (H2O2)
b. 7 moléculas de agua oxigenada.

2. Calcular el número de moléculas de H2CO3 (ácido carbónico) que hay en:


a. 100 g
b. 5 moles

3. Indicar el número de mol que hay en:


a. 48 g de Fe (OH)3 (hidróxido férrico)
b. 9,3. 1024 moléculas de I2 (yodo)

4. Cuántos átomos hay en total en:


a. 8 moles de HBrO4 (ácido perbrómico)
b. 160 g de O3 (ozono)

5. Dada una muestra de 50 g de glucosa (C6H12O6), calcular:


a. Número de átomos de oxígeno en la muestra.
b. Número de moles de moléculas de glucosa
c. Número de moles de átomos de hidrógeno

6. En una muestra de bicarbonato de sodio (NaHCO3) hay 2,71 .10 24 átomos de oxígeno.
¿Cuántos moles de bicarbonato hay en la muestra? ¿Cuál es la masa de la muestra?

7. Justificar si las afirmaciones siguientes son correctas o no:


a. El número de átomos de nitrógeno que hay en 150 g de NH 3 (amoníaco) es igual al número de
átomos de hidrógeno que hay en 400 g de PH3 (fosfina)
b. En 3 moléculas de Cl2 hay la misma cantidad de átomos de cloro que en 6 moléculas de HClO4

8. Calcular el número de moles de átomos presentes en:


a. 120 g de hierro (Fe)
b. 0,5 kg de oro (Au)
c. 1130 mg de cobre (Cu)
Rtas: a) 2,143 mol de átomos, b) 2,538 mol de átomos c) 0,018 mol de átomos

9. Calcular el número de átomos que se encuentran en:


a. 1,25 mol de átomos de plata (Ag)
b. 45 g de carbono (C)
c. 0,023 kg de sodio (Na)
Rtas: a) 7,525 10 23 b) 2,257 1024 átomos c) 6,02 1023 átomos.
10. Calcular el número de moles de moléculas que hay en:
a. 320 g de agua (H2O)

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b. 1,2 kg de glucosa (C6H12O6)


c. 250 mg de amoníaco (NH3)
Rtas: a)17,78 mol de moléculas, b) 6,67 mol de moléculas, c)0,0147 mol de moléculas

11. Calcular el número de moléculas presentes en:


a. 2,3 g de dióxido de carbono (CO2)
b. 0,35 mol de moléculas de oxígeno (O2)
c. 0,049 kg de cloro (Cl2)
Rtas: a) 3,147 1022 moléculas, b) 2,107 1023 moléculas, c) 4,155 1023 moléculas

12. Calcular la masa atómica en gramos de un átomo de:


a) Aluminio (Al)
b) Potasio (K)
c) Azufre (S)
Rtas: 4,48 10-23g b) 6,47 10-23g c) 5,31 10-23g

13. Calcular la masa molecular en gramos de:


a) HCl (ácido clorhídrico)
b) SO3 (trióxido de azufre)
c) HNO2 (ácido nitroso)
Rtas: a) 6,06 10-23g, b) 1,33 10 –22 g, c) 7,81 10-23 g

14. Se tiene una garrafa que contiene 1 kg de gas metano (CH4). Calcular:
a) Número de moles de moléculas.
b) Número de moléculas.
c) Número de átomos de carbono e hidrógeno.
d) Masa de carbono.
e) Masa de hidrógeno.
Rtas: a) 62,5 mol, b) 3.762 1025 moléculas, c) 3,762 1025 átomos de C y 1,505 1026 átomos de H,
d) 750 g C e) 250 g H.

15. En un recipiente cerrado se encuentra 9,63 10 24 moléculas de oxígeno gaseoso (O2).


Calcular:
a) Número de mol de moléculas.
b) Masa de oxígeno.
c) Número de átomos de oxígeno.
Rtas: a)15,996 mol de moléculas, b) 511,89 g c) 1,926 1025 átomos.

16. Sabiendo que la masa de un átomo de fósforo (P) es 5.149 10 -23 g y que la molécula es tetraatómica
(tetra es 4), calcular:
a. La masa de una molécula y b. La masa de un mol de moléculas.
Rtas: a) 2,059 10-22 g b) 123,987 g

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