Estructura Interna de La Materia 10

8/18/2019 Estructura Interna de La Materia 10

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ESTRUCTURA INTERNA DE LA MATERIA

Todo lo que puedes percibir con los sentidos: lo áspero, lo frio, lo blando, lo frágil, lo fino, todas las texturas, lossabores, los colores, son o representan materia. La química estudia las propiedades de la material. Por ejemplo: loscambios de color, los cambios de estado sólido a líquido y gaseoso y la composición interna más profunda de lascosas, esto es, la estructura atómica.

EL ÁTOMO: PARTÍCULAS SUBATÓMICAS

Perfectamente podrás diidir un peda!o de materia de cualquier tama"o, una, dos, tres, #asta mil eces o más,pero .#asta donde podrás obserar el ultimo pedacito o lograras efectuar tal diisión$ %se pedacito que casi nopuedes er es una partícula.

La partícula, ya sea orgánica o inorgánica, es la &ltima diisión de la materia a la que se puede llegar por mediosfísicos. La materia está compuesta por átomos, y estos a su e! por partículas sub atómicas.

Partículas funda!ntal!s d!l "t##$

%l átomo está formado por partículas subatómicas fundamentales como son el protón, el neutrón y el electrón. 'inembargo, la noción de que estas son las partículas elementales #a quedado atrás. Los científicos #an encontradoque estas partículas están, a la e!, constituidas por otras sus partículas. Por ello, en la actualidad se #abla de solodos clases de partículas subatómicas fundamentales: Los (ermiones y los )osones. Los (ermiones se diiden dos

categorías: los quar*s y los leptones. Los quar*s son los constituyentes de los protones y neutrones. Los leptonesson una categoría que incluye al electrón. Los )osones son una familia de partículas subatómicas de espín entero,que al interactuar con los (ermiones producen las interacciones o fuer!as conocidas: interacción fuerte, interaccióngraitacional, y la interacción d+bil. %ntre los )osones se pueden mencionar: el fotón y el gluon. %n nuestro estudio,amos a ocuparnos principalmente de los (ermiones: protones, neutrones y electrones.

%l n&cleo esta constituido por dos partículas llamadas protones y neutrones, los protones tienen carga positia y serepresentan por p y los neutrones no tienen carga y se representan por n. Las partículas que forman la enolturadel n&cleo son los electrones. %stos se disponen en capas u orbitales, tienen carga negatia y se representan por e-

%jemplo: el átomo de eón tiene /0 protones, por lo tanto tiene /0 electrones.

MODELOS ATÓMICOS

La materia está compuesta por muc#os átomos de diferente naturale!a y los científicosdurante la #istoria del desarrollo de la química fueron creando modelos de átomos.

E%#luc&'n d! l#s #d!l#s at'&c#s$

1esde la antig2edad los filósofos se preguntaban de qu+ estaban formadas las cosas quelos rodeaban. Primero pensaron que la materia era continua, es decir, que se podía diidir indefinidamente. 'inembargo, en el siglo 3 a. 4., Leucipo 5670890 a. 4.; y su discípulo 1emócrito 56 tomos=diisión;. 4omo la idea de 1emócrito solo fue basada ensu intuición 5no tenía datos experimentales; no se tomó en cuenta por muc#o tiempo. 'olo unos ?.000 a"os despu+s,@o#n 1alton 5/


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T!#ría at'&ca d! Dalt#n %n /A0A, @o#n 1alton planteó la primera teoría atómica, basada en datos experimentales.Los principales postulados de su teoría fueron: toda la materia está formada por átomos.Los átomos son partículas diminutas e indiisibles.Los átomos de un elemento son id+nticos y poseen igual masa.Los átomos de diferentes elementos se combinan de acuerdo a n&meros enteros y sencillos, formando loscompuestos.%n una reacción química se produce un reordenamiento de átomos.%n una reacción química los átomos no se crean ni se destruyen.

Para representar sus postulados, 1alton ideó una serie de símbolos circulares, los cuales representaban los átomosde los elementos. %stos símbolos, al combinarse, representaban los compuestos químicos.

()*+, -#s!./ T/#s#n 0()123(*456, experimentando en un tubo de descarga, obseró que con el paso decorriente el+ctrica se producían unos rayos de lu! dentro del tubo, a los cuales llamó rayos catódicos. 4on estaexperiencia demostró que los rayos eran #aces de partículas con carga negatia, a los que llamó electrones 5e-;:

primeras partículas subatómicas confirmadas experimentalmente.%l tubo de descarga es un tubo de idrio al acío, es decir, sin aire y conectado a la electricidad. %n la figura seobsera cómo el #a! es atraído por el campo magn+tico generado por un imán, #ec#o que confirmó la existencia decargas negatias.

T/#.s#n 0(*546 propuso su modelo de átomo,formado por una esfera de carga el+ctrica positiay en su exterior se encontraban electrones concarga negatia. %stos podrían estar en moimientosiguiendo orbitas circulares alrededor del centrode la esfera su modelo se conoció como )udín dePasas.

MODELO ATÓMICO DE RUT7ER8ORD


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4on la idea de conocer a&n más la estructura interna del átomo, en /B//, %rnest Cut#erford 5/A/8/B9; junto aotros dos científicos #icieron el siguiente experimento: impactaron una lámina de oro con partículas alfa emitidas por una sustancia radiactia.

Los resultados fueron los siguientes: la mayoría de las partículas alfa atraesaba la lámina. Dna peque"a parteatraesaba la lámina con una peque"a desiación. Dna mínima parte c#ocaba con la lámina y se deolía #acia suorigen. %stos resultados y el posterior descubrimiento del neutrón, por 4#adEic*, llearon a Cut#erford a postular unnueo modelo atómico conocido como modelo planetario, con un n&cleo central muy peque"o cargado positiamentedonde reside la mayor parte de la masa y los electrones en orbitas cargados negatiamente girando en orbitascirculares.

B#/r 0(*(96 retoma los postulados de Cut#erford agregando que los electrones de los átomos solo puedenencontrarse en ciertas orbitas permitidas y nieles estacionarios. Los electrones en moimiento en una órbita noabsorben ni emiten energía electromagn+tica> pero cuando un electrón salta de una órbita a otra emite o absorbe unfotón, cuya energía es igual a la diferencia de energías de las orbitas entre las que tiene lugar la transición. %s decir,la frecuencia de radiación emitida es proporcional a la diferencia de energía entre los dos estados.

Los electrones giran en órbitas fijas y definidas, llamadas nieles de energía.

Los electrones que se encuentran en nieles más cercanos al n&cleo poseen menos energía de los que seencuentran lejos de +l.

4uando el electrón se encuentra en una órbita determinada no emite ni absorbe energía.

'i el electrón absorbe energía de una fuente externa, puede FsaltarG a un niel de mayor energía.

'i el electrón regresa a un niel menor, debe emitir energía en forma de lu! 5radiación electromagn+tica;.


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%l modelo de )o#r es determinista, pero funcionaba muy bien para el átomo de #idrógeno. %n los espectrosreali!ados para otros átomos se obseraba que los electrones de un mismo niel energ+tico tenían distinta energía.

Hlgo andaba mal. La conclusión fue que dentro de un mismo niel energ+tico existían subnieles.

En (*(2, Arn#ld S#!rf!ld modifica el modelo atómico de )o#r, en el cual los electrones sólo giraban en órbitascirculares, al decir que tambi+n podían girar en órbitas elípticas.

%sto dio lugar a un nueo n&mero cuántico: I%l n&mero cuántico a!imutal o secundarioI, que determina la forma de

los orbitales, se lo representa con la letra IlI y toma alores que an desde 0 #asta n8/. Las órbitas con:

• l = 0 se denominarían posteriormente orbitales s o sharp

• l = / se denominarían p o principal .

• l = ? se denominarían d o diffuse.

• l = 9 se denominarían f o fundamental .

Los modelos atómicos de )o#r y de 'ommerfeld nacieron de la combinación de aspectos de la mecánica clásicaneEtoniana con aspectos de la teoría cuántica de Planc*, constituyendo la teoría cuántica antigua.

La imposibilidad de abordar el mundo subatómico con los principios de la mecánica clásica condujo al fracaso deambos modelos y al desarrollo, en la segunda d+cada del siglo JJ, de una nuea mecánica cuántica.

En (*+, !l fís&c# austr&ac# Er;&n Sc/r


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Lo postulado por 'c#rdinger conduce a la existencia de un n&mero ilimitado de funciones de onda por nielenerg+tico, y a su e! +stas, en un átomo multielectrónico, resultan tener diferentes energías, lo que se denominasubnieles, identificados con las letras s, p, d, f.

MODELO ATÓMICO ACTUAL

%ntre los conocimientos actuales o no sobre el átomo, que #an mantenido su eracidad, se consideran lossiguientes:

/. La presencia de un n&cleo atómico con las partículas conocidas, la casi totalidad de la masa atómica en unolumen muy peque"o.

?. Los estados estacionarios o nieles de energía fundamentales en los cuales se distribuyen los electrones deacuerdo a su contenido energ+tico.

9. La dualidad de la materia 5carácter onda8partícula;, aunque no tenga consecuencias prácticas al tratarse deobjetos de gran masa. %n el caso de partículas peque"as 5electrones; la longitud de onda tiene un alor comparablecon las dimensiones del átomo.

6. La probabilidad en un lugar de certe!a, en cuanto a la posición, energía y moimiento de un electrón, debido a laimprecisión de los estudios por el uso de la lu! de baja frecuencia.

(ue %rEin 'c#odinger, quien ideó el modelo atómico actual, llamado "Ecuación de Onda" , una fórmula matemáticaque considera los aspectos anteriores. La solución de esta ecuación, es la función de onda 5P'M;, y es una medidade la probabilidad de encontrar al electrón en el espacio. %n este modelo, el área donde #ay mayor probabilidad deencontrar al electrón se denomina orbital.

%l alor de la función de onda asociada con una partícula en moimiento está relacionada con la probabilidad deencontrar a la partícula en el punto 5 x,y,z ; en el instante de tiempo t.

%n general una onda puede tomar alores positios y negatios. una onda puede representarse por medio de unacantidad compleja.

Piense por ejemplo en el campo el+ctrico de una onda electromagn+tica. Dna probabilidad negatia, o compleja, es

algo sin sentido. %sto significa que la función de onda no es algo obserable. 'in embargo el módulo 5o cuadrado; dela función de onda siempre es real y positio. Por esto, a se le conoce como la densidad de probabilidad .

La función de onda depende de los alores de tres 509; ariables que reciben la denominación de númeroscuánticos. 4ada conjunto de n&meros cuánticos, definen una función específica para un electrón.

N>MEROS CUÁNTICOS

'on cuatro 56; los n&meros encargados de definir la función de onda 5P'M; asociada a cada electrón de un átomo: elprincipal, secundario, magn+tico y de 'pin. Los tres 509; primeros resultan de la ecuación de onda> y el &ltimo, de lasobseraciones reali!adas de los campos magn+ticos generados por el mismo átomo.

($ N?!r# cu"nt&c# .r&nc&.al$ %s un criterio positio, representado por la letra InI, indica los nieles energ+ticosprincipales. 'e encuentra relacionado con el tama"o. %n la medida que su alor aumenta, el niel ocupa un olumenmayor y puede contener más electrones, y su contenido energ+tico es superior. 'us alores pueden ser desde /#asta infinito.

$ N?!r# cu"nt&c# s!cundar 0l 6: tambi+n conocido como n&mero cuántico de momento angular o a!imutal,puede tener alores desde 0 #asta 5n 8 /; para cada alor del n&mero cuántico principal 5n;. %ste define la forma quetiene el orbital. 'e calcula considerando:

Por ejemplo: 'i n = /, l = 0 'i n = ?, l = 0, / 'i n = 9, l = 0, /, ? 'i n = 6, l = 0, /, ? ,9

Para expresarlo cómodamente y eitar la confusión, la comunidad científica #a aceptado que los n&meros querepresentan los subnieles sean reempla!ados por las letras s, p, d, f, respectiamente> las que representan distintostipos de orbitales, por lo tanto:

http://www.monografias.com/trabajos5/volfi/volfi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/volfi/volfi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos34/el-caracter/el-caracter.shtmlhttp://www.monografias.com/Matematicas/index.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/guiainf/guiainf.shtml#HIPOTEShttp://www.monografias.com/trabajos12/guiainf/guiainf.shtml#HIPOTEShttp://www.monografias.com/trabajos5/volfi/volfi.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos34/el-caracter/el-caracter.shtmlhttp://www.monografias.com/Matematicas/index.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos7/mafu/mafu.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos5/estat/estat.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtmlhttp://www.monografias.com/trabajos12/guiainf/guiainf.shtml#HIPOTES


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9$ N?!r# a=n@t&c# 0ml 6: se calcula seg&n el alor del n&mero cuántico secundario 5l;, adquiriendo todos losalores, que an desde el -l #asta l 5-l, !, , !l ;. %ste n&mero describe la orientación del orbital en el espacio.Por ejemplo:a. Para l = 0 5s;, m = 0, esto significa que existe un solo orbital.b. Para l = / 5 p;, m a desde el 8/, 0, /, esto significa que existen tres orbitales, los que se conocen como px, py, p! ocomo p/, p?, p9.

c. Para l = ? 5d ;, m a desde el 8?, 8/, 0, /, ?, lo que significa que en el subniel ? existen cinco orbitales, los quese conocen como d /, d ?, d 9, d 6, d 7.

4. Es.ín 0s6: para comprender su significado debemos considerar que los electrones se despla!an girando sobre supropio eje, lo que genera a su alrededor un campo magn+tico que permitiría la existencia de un máximo de doselectrones por orbital con espines opuestos /N? y -/N?.

Orbitales s: definir la forma de un orbital no es tarea fácil, pues en rigor +stos no tienen una forma bien definida, yaque la ecuación de onda que caracteri!a a cada orbital se extiende desde el n&cleo #asta el infinito. La (iguramuestra la disposición esf+rica de los orbitales /s, ?s, 9s. o obstante, pensar y determinar una forma aproximadapara los orbitales nos permitirá comprender con mayor facilidad los enlaces químicos.

Orbitales p: estos comien!an en el niel ? 5n = ?;. 'i n = ?, l toma los alores 0 y /. 4uando l es /, los n&meroscuánticos magn+ticos asociados son -/, 0, /, presentando entonces tres orbitales 5? px , ? py , ? pz ;, como muestra la(igura


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Orbitales d: los orbitales d aparecen cuando n = 9 o mayor. 'i n = 9, y el alor de l es ?, da origen a los n&meroscuánticos magn+ticos -?,-/,0,/,?, que corresponde a los orbitales 9dx ? - y ? , 9dxy , 9dyz , 9dxz , 9dz ? , que semuestran en la (igura

Or&tal!s sus !n!r=ías

La utilidad del modelo mecanocuántico radica en la extensión que se puede #acer a átomos con más de un electrón.o obstante, se debe tener en cuenta que la presencia de más de un electrón altera considerablemente las energíasde los orbitales. Por ejemplo, en el #idrógeno la energía de un orbital sólo depende del n&mero cuántico principal 5n;,y las subcapas 9s, 9 p y 9d tendrán la misma energía, denominándose como de#enerados. %n cambio, en un átomocon muc#os electrones, la repulsión electrón 8 electrón #ace que las subcapas presenten diferentes energías, comomuestra la siguiente figura:

Para entender el comportamiento electrónico de átomos poliel+ctricos se establece la configuración electrónica, queinforma cómo están distribuidos los electrones entre los diferentes orbitales atómicos. 1e esta forma, la configuraciónelectrónica de un átomo estaría descrita mediante el esquema cuyo orden de llenado se indica mediante flec#as enla siguiente figura


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%l esquema de la (igura muestra el orden de llenado de la configuración electrónica que corresponde. 4omo podrásobserar, dic#o llenado está íntimamente relacionado con la energía de los orbitales.

Pr&nc&.s d! c#nstrucc&'n H pesar de estar prácticamente establecida la estructura atómica, algunos aspectos energ+ticos y electrónicosimpedían comprender a cabalidad el comportamiento de los electrones en átomos multielectrónicos. La respuestallegó mediante el principio de Hufbau o de construcción, que se compone de los siguientes principios:

($ Pr&nc&. d! ín&a !n!r=ía: FLos electrones se ubican primero en los orbitales de más baja energía> por lotanto, los de mayor energía se ocuparán sólo cuando los primeros #ayan agotado su capacidadG.

$ Pr&nc&. d! !clus&'n d! Paul&: los orbitales son ocupados por dos electrones como máximo, siempre quepresenten espines distintos 5(igura,?/;. Por lo tanto, en un átomo no pueden existir dos electrones que tengan losmismos n&meros cuánticos. Para el orbital que tiene más de un subniel, por ejemplo p, se tiene:

9. Principio de máxima multiplicidad de und: en orbitales de la misma energía, los electrones entran de a uno,ocupando cada orbital con el mismo espín. 4uando se alcan!a el semillenado, reci+n se produce elapareamiento con los espines opuestos 5(igura ??;. Para p se tiene:


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'eg&n estos principios, en los subnieles existe un n&mero específico de electrones: por ejemplo, en el subniel s,donde #ay un solo orbital, existen dos electrones como máximo, mientras que en el subniel p, donde #ay tres

orbitales, existe un máximo de seis electrones, dos de ellos en px , otros dos en py y los &ltimos dos en pz . %n elsubniel d #ay cinco orbitales con un total de /0 e-, y en el subniel f #ay siete orbitales con un total de /6 e-

La configuración electrónica explica la ubicación probable de los electrones considerando cada uno de los aportes ypostulados establecidos por los diferentes científicos que se #an estudiado a lo largo de la unidad. Para desarrollarlafácilmente estableceremos el siguiente protocolo:

/Q Mdentifica el n&mero de electrones que tiene el átomo o ión por configurar.?Q %scribe la estructura de configuración electrónica seg&n el orden de llenado que obedece al principio de mínimaenergía.9Q 4ompleta la configuración electrónica asignando a cada subniel el máximo de electrones posibles. unca utilicesel niel siguiente si el anterior no está lleno, pues los electrones por atracción siempre trataránde estar lo más cerca del n&cleo.6Q %xisten cuatro formas de escribir la configuración electrónica:

a. Rlobal: en ella se disponen los electrones seg&n la capacidad de niel y subnieles.b. Rlobal externa: tambi+n se le denomina configuración electrónica resumida. 'e indica en un corc#ete el gas nobleanterior al elemento configurado y posteriormente los nieles y subnieles que no están incluidos en ese gas noble ypertenecen al elemento configurado. %ste tipo de configuración es muy &til cuando el inter+s está concentrado enconocer los electrones más externos o lejanos al n&cleo, es decir, los que se ubican en la capa más externa,llamados electrones de alencia.c. Por orbital detallada: se indica la ubicación de los electrones por orbital.d. 1iagrama de orbitales: en este se simboli!a cada orbital por un casillero, utili!ando las expresiones S y pararepresentar la disposición del espín de cada electrón.


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%jemplos:&mero /: configuraremos el a. 'e sabe que el a tiene // e$> por lo tanto, su configuración electrónica globalserá:

/ s?

? s?? p


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TALLER DE REPASO

(ormular la configuración electrónica de diersos elementos químicos considerando los n&meros cuánticos.

/. %stablece los n&meros cuánticos 5n, l, m y s; para el electrón de alencia de mayor energía indicado en cada caso.

H este electrón se le denomina electrón diferencial y en un átomo #ay sólo uno.a. 9p9, sería indicar los cuatro n&meros cuánticos para el electrón ubicado en 9p !/

b. ?s/

c. 6p?d. 9d7

?. 1etermina la configuración electrónica global de los siguientes elementos. 4uando los electrones de un mismoorbital ocupan ambos giros, se debe indicar que el espín es igual a W /N?.

a. idrógeno e. H!ufre i. eliob. Potasio f. 4loro j. eónc. (l&or g. Xagnesio *. Hrgónd. 4arbono #. itrógeno l. 4riptón

9. %xplica breemente cuál será el comportamiento de los electrones de alencia de acuerdo con los alores de n, l,m y s de la pregunta anterior.

6. 4ompara la configuración global, los diagramas de orbitales y los n&meros cuánticos de los elementos químicospertenecientes a los gases nobles 5elio, eón, Hrgón y 4riptón; con los otros elementos configurados del punto ?.

a. YZu+ diferencias obseras en la configuración global$b. YZu+ diferencias obseras en los diagramas de orbitales$c. YZu+ diferencias obseras en los n&meros cuánticos de sus electrones de alencia$d. Mnestiga qu+ relación tienen las comparaciones reali!adas con la formación de iones.

%3HLDH4M[ 1% LO HPC%1M1O % %L T%XH %'TCD4TDCH MT%CH 1% LH XHT%CMH

M. \tem de desarrollo: responde seg&n lo pedido en cada una de las preguntas dadas a continuación:

/. 4ompleta la información solicitada en la siguiente tabla:

?. 'eg&n la configuración electrónica de los átomos neutros y de los iones, Yqu+ cambios experimentan los átomosal conertirse en los siguientes iones$

9. %xplica los siguientes principios:a. 1e incertidumbre.b. 1e mínima energía.


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c. 1e exclusión de Pauli.d. 1e máxima multiplicidad de und.

6. 4ompleta la información solicitada en la siguiente tabla:

7. %scribe la configuración electrónica global de los elementos cuyos n&meros atómicos son los siguientes:

a. ? b. 7 c. A d. /0


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/?. Para los siguientes ]:

] = /B ] = /? ] = /A ] = /0 Obt+n:a. 4onfiguración electrónica global externa.b. &meros cuánticos asociados a las orbitales del &ltimo niel con electrones.c. Rrupo y período.d. Orbitales.

MM. \tem de opción &nica: elige la letra de la alternatia correcta seg&n el enunciado dado.

/. Cespecto a la estructura del átomo, es cierto afirmar que:M. Los electrones poseen cargas negatias.MM. Los neutrones poseen cargas positias ubicadas en el n&cleo.MMM. Los protones se ubican en el n&cleo.M3. Los electrones poseen cargas positias.

a. 'ólo M c. 'ólo M y MM e. 'ólo M y MMMb. 'ólo MM d. 'ólo MM y M3

?. Hctualmente, el modelo que describe el comportamiento del átomo es:

M. Xodelo planetario.MM. Xodelo nuclear.MMM. Xodelo mecanocuántico.

a. 'ólo M c. 'ólo MMM e. 'ólo MM y MMMb. 'ólo MM d. 'ólo M y MMM

9. 'e posee un elemento J, cuyo n&mero atómico 5]; es /? y se sabe que su n&mero másico es 9?. %l n&meromásico se simboli!a con una letra H y corresponde a la suma de sus protones y neutrones. 4on esta informaciónindique el n&mero de protones, electrones y neutrones para el elemento J, en el orden solicitado.

a. /?, /? y 9?. b. /?, ?0 y 9?. c. /?, /? y ?0. d. 9?, ?0 y 9?. e. ?0, /? y /?.

6. %l n&mero de electrones del ión FJ

7

G de ] = ?0 y H = 60 es:a. ?0 b. ?7 c. /7 d. 60 e. 97

7. %l n&mero de neutrones para el ión F ^98 G de H = 90 y ] = /7 es:a. /7. b. ?0. c. /0. d. 90 e. ?7.

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