Electrónica: conceptos, definiciones, leyes, teoremas

La carga eléctrica, el átomo, el ión positivo y el ión negativo

Por: Luis González López
lgonzalez_280@hotmail.com. España

El átomo, en condiciones normales,muestra un carácter neutro (hablando eléctricamente), esto es debido a que en cualquier átomo el número de protones es igual al número de electrones.

Por distintos métodos (frotación, inducción,...) podemos hacer que el átomo pierda o gane electrones con lo que deja de mostrar su carácter neutropara mostrar una carga positiva o negativa respectivamente.

A un átomo cargado
eléctricamente se le llama IÓN.

Debido al carácter neutro del átomo sabemos que el protón y el electrón tienen la misma carga eléctrica pero de distinto signo, podemos considerar, pues, al electrón como la unidad elemental de carga eléctrica.

Uno de los principios fundamentales de la electrostática dice que ”doscargas con el mismo signo se repelen mientras que dos cargas con distinto signo se atraen”, el poder de atracción o repulsión de doscargas eléctricas nos lo da la ley de Coulomb que dice:

“La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos
es directamente proporcional a las cargas eléctricas
que ambos poseen e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa”

F = Fuerza atracción
Q = Carga del cuerpo
d = Distancia

Como la fuerza de atracción del núcleo sobre los electrones, debido a la Ley de Coulomb, es tanto menor cuanto mas alejada está la órbita, el átomo cederá o tomará electrones sólo en su última órbita. Los electrones de la última órbita están en disposición, pues, de dejar dicha órbita; a estos electrones de la última órbita se le denomina ELECTRONES DE VALENCIA.

Ya hemos dicho que el electrón (o el protón, puesto que tienen la misma carga) es la unidad elemental de carga eléctrica; esta unidad de carga se nos queda muy pequeña, ya que en un solo centímetro de material hay millones de electrones. Para poder trabajar con las cargas eléctricas se utiliza como unidad el CULOMBIO:

1 Culombio (C)= 6,23 * 10¹⁸ electrones

MOLÉCULAS E IONES

Moléculas simples

Un átomo simple de un mismo elemento constituye, a su vez, una molécula simple del propio elemento. El oxígeno (O), hidrógeno (H), cloro (Cl), sodio (Na), cobre (Cu), hierro (Fe), plata (Ag) y el oro (Au), por ejemplo, son átomos de elementos simples y constituyen, al mismo tiempo, moléculas de cada uno de esos mismos elementos..

Átomo de cloro (Cl), cuyo número atómico es 17, de acuerdo con la suma total de electrones que posee.en sus tres órbitas (2 + 8 + 7 = 17)  y átomo de sodio (Na), de número atómico 11, de acuerdo también.con la suma de la cantidad de electrones que posee (2 + 8 + 1 = 11). Como se puede apreciar, el cloro.posee 7 electrones en su última órbita, por lo cual es más propenso a captar el electrón que le falta para.completar ocho,  mientras que el sodio, al tener sólo 1 electrón, es más propenso a cederlo.

Iones positivos y negativos

Normalmente un átomo mantiene carga eléctrica neutra mientras no se altere el balance existente entre la cantidad de electrones con carga negativa girando en su última órbita y la cantidad de protones con carga positiva contenidas en el núcleo. Sin embargo, ese balance se puede alterar si excitamos el átomo mediante la aplicación de calor, luz, corriente eléctrica o por medio de una reacción química. Con alguno de esos métodos un átomo puede ganar o ceder uno o varios electrones en su última órbita y convertirse en un ión del propio elemento químico. Así, cuando el átomo cede o pierde electrones, se convierte en un ión positivo o “catión” del elemento de que se trate, debido a que en esa situación la carga eléctrica positiva de los protones del núcleo supera a la negativa de los electrones que quedan girando en sus respectivas órbitas. En el caso contrario, cuando el átomo gana algún electrón en la última órbita, se convierte en un ión negativo o “anión”, pues en ese caso la carga eléctrica negativa (–) de los de electrones superará a la carga positiva de los protones contenidos en el núcleo. Tanto los iones positivos como los negativos, son los responsables de que los átomos manifiesten fenómenos físicos y reacciones químicas.

Un átomo de cloro cuando se enlaza con otro de sodio gana un electrón en su última órbita, completando.ocho electrones. Así se convierte en un ión  negativo  o  anión  cloro  (Cl –),  pues  la  suma  total  de<electrones con carga negativa supera a la de protones con carga positiva contenidos en su núcleo. El.átomo de sodio, por su parte, al cederle al cloro en ese enlace el único electrón que posee en su última.órbita, se convierte en un ión positivo o catión sodio (Na +), pues en este caso la carga positiva de los.protones contenidos en el núcleo supera a la suma total de los electrones que han quedado girando en el.resto de.sus órbitas.

Moléculas compuestas

Cuando el ión de un elemento simple se combina con uno o más iones de otros elementos simples diferentes, se obtiene una sustancia compuesta. Si combinamos un átomo de oxígeno (O) con dos de hidrógeno (H) (tanto uno como el otro en estado natural son gases), obtendremos un elemento compuesto, con características completamente diferentes, en este caso “agua” (H2O); es decir, combinando dos gases se ha obtenido un líquido.

Por otra parte, si combinamos una molécula de Cloro (Cl) con una de sodio (Na), obtendremos una molécula de  “cloruro de sodio” (Cl Na), compuesto comúnmente conocido como “sal común”, con características completamente diferentes a los dos elementos simples que le dieron origen.                             Cl– + Na+ = Cl Na

Molécula de Cloruro de Sodio o<sal común.

Se pueden combinar también más de dos moléculas o átomos diferentes para obtener compuestos químicos más complejos. Por ejemplo, si combinamos dos moléculas de hidrógeno (H2), una de azufre (S), más cuatro de oxígeno (O4), obtenemos H2SO4, o lo que es lo mismo, “ácido sulfúrico”, compuesto químico altamente corrosivo y muy utilizado en las baterías de los vehículos automotores. Iones Positivos  La materia está formada por átomos. Cada átomo, en su giro, está hecho de componentes cargados eléctricamente:   un núcleo central positivo, donde está concentrada la mayoría de de la masa de los átomos, y  uno o más electrones negativos.  El núcleo y los electrones se mantienen unidos por la atracción eléctrica entre las cargas positiva (+) y negativa (-). En cualquier átomo, las dos cargas están exactamente equilibradas, de tal forma que para el mundo exterior el átomo es eléctricamente neutro. Los iones ayudan a los gases a conducir la electricidad Cuando un átomo es golpeado por una partícula rápida, como las emitidas por materiales radiactivos, o absorbe luz, puede expulsar un electrón. Lo que queda es un átomo cargado eléctricamente o "ion," con una carga positiva; al proceso se le denomina "ionización." Cuando ocurren estos procesos en el aire, producen iones libres y electrones, que se pueden mover y transportar la corriente eléctrica, algo que no pueden hacer los átomos neutros. El aire es normalmente un aislante eléctrico excelente, pero con la ionización, las cargas eléctricas pueden fugarse a su través.   Electroscopio Esta fuga se usó, alrededor de 1900, para detectar emisiones radiactivas y medir su intensidad. La figura muestra un instrumento simple para llevar a cabo estas mediciones. Se llama electroscopio y está formado por dos hojas paralelas de metal, protegidas del viento dentro de una caja metálica con ventanas transparentes, que están unidas a un eje metálico aislado de la caja saliendo de esta (dibujo). Cuando se carga eléctricamente la lámina del extremo del eje (p.e. frotándola con un paño seco), las hojas se separan, ya que ambas transportan cargas eléctricas de igual signo y se repelen. Sin embargo, cuando se acerca una sustancia radiactiva, la carga eléctrica se fuga hacia la caja y las hojas caen de nuevo.    Tipos de Iones El hidrógeno, el átomo más simple, tiene un electrón. Cuando se elimina ese electrón, se obtiene el ion positivo más simple, el "protón"; al igual que el electrón, es una partícula fundamental, pero 1836 veces más pesada. El símbolo químico del hidrógeno es H, pero el del protón es H+. El siguiente átomo más pesado es el helio (símbolo químico He) y contiene dos electrones. Su núcleo contiene dos protones y también dos neutrones, partículas similares al protón pero sin carga eléctrica. El Sol obtiene su energía en su núcleo interior, combinando protones (algunos de los cuales convierte en neutrones durante el proceso) y produciendo helio; como el helio es una combinación de partículas inusualmente estable, durante el proceso se libera energía . Al átomo de helio completamente ionizado He++, que ha perdido ambos electrones, también se le conoce como "partícula alfa" (vea la sección de historia). Al igual que en el Sol y en la mayoría de estrellas, el hidrógeno es el elemento más abundante, siendo el helio el siguiente, por lo que el viento solar está  formado en su mayoría de protones, con un 5% de partículas alfa y pequeñas cantidades de iones más pesados. Los rayos cósmicos tienen una composición similar, una fina lluvia de iones moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz y bombardeando la Tierra desde todas las direcciones; probablemente llenan nuestra galaxia y su origen no está indefinido.  Se puede mencionar que, además de esos iones atómicos, también existen iones moleculares de ambos signos, formados cuando las moléculas ganan o pierden un electrón. Estos iones se producen en los procesos ionosféricos. Nubes de iones de bario Un átomo se puede ionizar mediante la absorción de luz. El átomo de bario es particularmente fácil de ionizar, debido a que su electrón más exterior tiene un enlace muy débil. Si se vaporiza una masa de bario en el espacio, produciéndose una nube de bario, se ioniza una gran cantidad por la acción de la luz en menos de un minuto. La nube luego se mueve en repuesta a las fuerzas eléctricas del espacio y se puede utilizar para el estudio del campo eléctrico en el espacio. En la práctica, el bario se envasa en recipientes con óxido de cobre y se suelta desde cohetes o satélites y se quema. La reacción química resultante produce gran calor, pero como hay más bario envasado en el recipiente se combina químicamente y algo del exceso se vaporiza y forma una gran nube esférica de color verdoso. Esto se hace normalmente después del ocaso o antes del amanecer, a fin de que mientras explota el recipiente a plena luz del Sol, los observadores desde el suelo pueden ver la nube contra el cielo oscuro: pronto una nube de iones azulada se separa de la verdosa, normalmente alargada o rayada en la dirección de las líneas del campo magnético, que guía los iones. Algunas de la liberaciones de bario se efectúan lejos de la Tierra y son seguidas por los telescopios. La misión AMPTE (Active Magnetospheric Particle Tracer Experiment), lanzada en 1984, soltó nubes de bario cerca de la "nariz" de la magnetosfera y en su cola. La misión AMPTE incluyó tres vehículos espaciales, mostrados aquí apilados durante el lanzamiento. Pulseaquí para ver una versión de esta imagen a tamaño grande. Además liberó una nube de bario en el viento solar para producir un "cometa artificial". Poco después se formó la nube, la atrapó el campo magnético del viento solar y la obligó compartir el flujo del viento, en un proceso similar al que crea la cola de iones de un cometa (vea lahistoria del viento solar). Satélite AMPTE Charge Composition Explorer (CCE)