Dra. Graciela Vásquez

Estructura Atómica

Entender y concienciar lo cuan importante son las Teorías Atómicas en el desarrollo de la tecnología.

Objetivos:Estudiar a nivel micro a los elementos químicos. Practicar problemas relacionados con la estructura del átomo.

TEORIAS ATÓMICA

S

La palabra átomo proviene del vocablo griego άτομος que significa indivisible. Leucipo fue el primero en utilizar este término y fue uno de los precursores de la teoría atómica (Atomistas). Él creía que todos los cuerpos u objetos deberían de estar formados por pequeñas partícu-las indivisibles. Demócrito, seguidor de Leucipo le dio el nombre de átomo

No obstante, el concepto de materia continua e infinitamente divisible fue aceptado erróneamente durante siglos; hasta que en el siglo XIX los científicos efectuaron observaciones y mediciones minuciosas (Química cuantitativa) y analizaron patrones de reactividad entre sustancias químicas que no eran compatibles con la idea propuesta por Platón y Aristóteles; surgiendo nuevamente el concepto de partículas indivisibles (átomo) propuesta por Demócrito.

Considerando la ley de la conservación de Lavoisier y la ley de las proporciones, se realizaron una gran cantidad de experimentos en los laboratorios, los mismos que confirmaban estas leyes.

Teoría de Dalton

Con el objetivo de explicar estas observaciones experimentales en 1808 el inglés John Dalton, un maestro de escuela, retomó los conceptos de Leucipo y Demócrito para proponer una teoría atómica la cual recopilaba y explicaba con precisión las unidades indivisibles con las que está formada la materia.

La teoría atómica de Dalton se resume en los siguientes postulados:

1.-Todos los elementos están constituidos por partículas ex-tremadamente pequeñas lla-madas átomos. No se crea ni se destruyen átomos durante las reacciones químicas.

2.-Todos los átomos de un mismo elemento son idén-ticos, tienen igual tamaño, ma-sa y propiedades químicas.Los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos los demás elementos.

3.-En la formación de moléculas de un mismo compuesto, se combinan en proporciones fijas y pequeñas de números enteros.

4.-Los átomos de diferentes elementos se combinan para formar más de un compuesto. Cada compuesto tiene una proporción de átomos diferente, pero definida y con una relación de números enteros.

5.-En las reacciones químicas los átomos de las sustancias iniciales reaccionan entre sí, existiendo un cambio en la distribución atómica para formar nuevas y diferentes sustancias. No obstante, no se crean ni se destruyen átomos.

Dalton nunca imaginó que los átomos se podrían componer de piezas aún más pequeñas (partículas subatómicas), pero su teoría preparó el camino a las investigaciones que se iniciaron alrededor de 1850 hasta el siglo XX, que alcanzaron este gran descubrimiento.

La invención del tubo de rayos catódicos fue una gran contribución al descubrimiento de partículas subatómicas. Su inventor y químico Sir William Crookes (1832-1919) lo diseñó para estudiar el fenómeno de la radiación.Dicho tubo está basado en la invención del físico alemán Heinrich Geissler, y uno de los primeros en utilizarlo fue Julius Plücker.

La radiación es la emisión y transmisión de la energía a tra-vés del espacio en forma de on-das. Se la empezó a estu-diar en el año 1890.

Este dispositivo consta de un tubo de vidrio al vacío (se le ha extraído por bombeo casi todo el aire). Tiene insertado dos discos metálicos llamados electrodos en cada extremo del tubo; estos discos están conectados a una fuente de alto voltaje mediante cables individuales.

El electrodo conectado a la carga negativa se denomina cátodo y el electrodo conectado a la carga positiva se denomina ánodo. Cuando se comienza a aplicar un alto voltaje el cátodo emite un rayo invisible (rayo catódico) que se dirige hacia el ánodo.La

electricidad es un fenómeno físico originado por la existencia de cargas eléctri-cas (estáticas o en movimiento) y por la interac-ción de las mis-mas.

A pesar de que la luz emitida es invisible, su movimiento puede detectarse gracias a ciertos materiales incluido el vidrio, que despiden una fuerte fluorescencia o luz brillante.Además, Crookes observó que al acercar un imán, esta luz brillante se desviaba y concluyó que este haz de luz estaba formado por partículas con carga.

En 1897, el físico británico Joseph John Thomson (1856-1940) continuó en la investigación y demostró de qué estaban constituidos los rayos catódicos.

Utilizando el tubo de rayos catódicos de Crookes, Thomson aplicó un campo eléctrico al colocar a los lados de este tubo dos placas metálicas con cargas positiva y negativa respectivamente.

Luego, observó que los rayos catódicos se desviaban hacia la placa positiva y eran repelidos por la negativa; concluyendo de esta manera que este haz estaba constituido por cargas negativas, a las cuales llamó corpúsculos. Además, Thomson repitió este experimento utilizando electrodos hechos con otros materiales y descubrió que las propiedades de los rayos cató-dicos eran iguales sin importar el tipo de material utilizado en los electrodos, concluyendo así que estos corpúsculos son un componente esencial de la materia.

¿Sabias que?El electrón fue la primera partícula subatómica en descubrirse. Fue descubierta por J.J. Thomson, quien la llamó corpúsculo, pero más tarde el físico irlandés George Johnstone Stoney le dio el nombre de electrón.

El físico alemán Goldstein (1850-1930) realizando algunos experimentos con un tubo de Crookes modificado, cuyo disco metálico del cátodo estaba lleno de orificios, observó que además de los rayos catódicos (corriente de electrones) emitidos por el cátodo, existían unos rayos positivos en la región situada detrás del cátodo.

Aporte de Eugen Goldstein

De estos dos experimentos: rayos catódicos y rayos positivos se demostró que el átomo estaba compuesto por partículas aún más pequeñas y se tenían ya suficientes indicios para modificar o descartar uno de los postulados de la teoría de Dalton, en la cual se afirmaba que los átomos eran indivisibles.Los protones fueron observados por primera vez por Goldstein. Estas son partículas subatómicas que se abrevian con el símbolo p+, de carga relativa +1 y una masa de 1.0087 umas, pero en los cálculos se redondea a 1 uma.

Fue así que a partir de sus experiencias en el laboratorio y de lo ocurrido con los experimentos de Goldstein, J.J. Thomson dio a conocer su modelo atómico, conocido también como el modelo del pudín de pasas; el cual representaba al átomo constituido por cargas negativas (electrones e–, partícula de carga eléctrica negativa, para fines prácticos, se utiliza como masa relativa 0 y carga relativa de –1) distribuidas uniformemente con un número igual de cargas positivas (protones).

El dispositivo de Millikan consistía en rociar por un atomizador, una fina niebla de gotas de aceite desde la parte superior de la cámara.Cuando una gotita de aceite caía a través del orificio hacia la cámara inferior, en su trayecto hacía el electrodo negativo la gotita recogía electrones que eran producidos irradiando al aire con rayos X. El movimiento de caída de la gota con carga negativa podía ser retardado o detenido, con sólo ajustar la fuerza eléctrica de los electrodo. Conociendo la fuerza eléctrica de las placas, la masa de la gota y aplicando principios de la Física. Millikan pudo determinar la carga de la gota.La carga del electrón la determino de manera indirecta, ya que los resultados de ,las cargas no eran los mismos, pero había un multiplo común entre los resultados que era -1.60x10-19 coulombs. Con este resultado calculó la masa de un electrón por medio de la relación carga/masa de Thomson:

-1.76 x 108 C/g = carga/masa masa= -1.60x10-19 C/ -1.76 x 108 C/g = 9,09 x 10-28 g

En la radiactividad natural del uranio se producen tres tipos de rayos: alfa, beta y gamma que fueron descubiertos por el físico británico Ernest Rutherford (1871-1937).A Rutherford se le atribuye el descubrimiento del núcleo de los átomos y su modelo nuclear superó al modelo de Thomson.

En 1909 le propuso como investigación a un estudiante de posgrado, Ernest Marsden, realizar un experimento utilizando una lámina de oro e investigar el efecto de las partículas alfa 2+ cuando colisionaban con la delgada lámina de oro, y se esperaba una desviación menor de las partículas alfa ya que solo actuarían como pequeñas bandas densas positivamente.No obstante Marsden observó que algunas partículas alfa atravesaban la lámina, otras se desviaban y otras partículas se regresaban.Con este descubriendo en 1911 Rutherford da a conocer su nuevo modelo del átomo.

Modelo atómico de Rutherford

Bohr fué estudiante de doctorado de Rutherford, y encontró algunas contradicciones en los datos experimentales de su maestro.Niels Bohr en 1913 dio a conocer su modelo de estructura atómica, manifestado en cuatro postulados:

1.Los electrones giran alrededor del núcleo en niveles específicos y cuantizados de energía. Cada nivel solo puede contener un cierto número de electrones establecidos, mediante la fórmula 2n2, donde n = 1,2,3,4 representa el nivel de energía. Además a mayor orbita se tiene un mayor nivel de energía.2.Los electrones pueden saltar de un nivel (orbita) a otro sin pasar por estados intermedios.

3. Los electrones mientras giren en sus respectivas orbitas (estado basal) no emiten radiaciones. Pero si el electrón en estado basal salta a una órbita superior, absorbe energía, y queda excitado; luego, este electrón en estado excitado salta a una orbita inferior, emite o libera energía en forma de fotones.

4. Las orbitas permitidas tienen valores cuantizados del momento angular orbital l.

Borh realizó experimentos con el elemento atómico Hidrógeno, en el que observó que cuando los electrones eran excitados caían a niveles más bajos de energía en forma de fotones, lo cual se manifestaba como un espectro de líneas de emisión de dicho elemento.

Un electrón absorbe energía

El físico inglés, Sir James Chadwick, en 1932 fué el primero en nombrar al Neutrón como una partícula sin carga y su masa es de 1.674 x 10-24 g (1.0087 uma), por lo que una vez más se redondea su masa a 1 uma. Se lo representa con la letra n de la siguiente manera: n°

Wilhelm Konrad Röntgen en 1895, experimento en un cuarto oscuro con los rayos catódicos, sobre el vidrio y ciertos metales, observando que ellos emitían ciertos rayos muy energéticos diferentes a los catódicos y que podían atravesar la materia, no poseían carga por lo que los llamó los rayos X.El físico francés Antoine Becquerel, en 1896 quería saber si había alguna relación entre la fluorescencia y los rayos X, experimento con el uranio, descubriendo la radiación, otros experimentos demostraron que la radiación no está relacionada con la fluorescencia, es característica natural del elemento uranio.

Luis De Broglie, estudiante de física francés, en 1924, desarrollo una tesis doctoral, si las ondas luminosas presentan ciertas características de partículas, entonces es posible que las partículas constituyentes de la materia presenten características ondulatorias, en otros términos el electrón además de ser partícula, tendría también propiedades ondulatorias, es decir sería de naturaleza dual.

Erwin Schrödinger, formuló en 1926 unas complicadas ecuaciones matemáticas para describir el comportamiento de las partículas en función de su masa y energía. Estas ecuaciones al ser resueltas nos dan un valor que representa una región de alta probabilidad de encontrar un electrón alrededor del núcleo.

Principio de Incertidumbre, Werner Heisenberg discípulo de Borh de origen alemán, concluyó que debido a la naturaleza dual de la materia, existe un limitante para precisar la posición y el momento de cualquier cuerpo, ya que no se podía conocer la posición exacta del electrón, Heisenberg postuló el Principo de Incertidumbre: es imposible conocer simultáneamente la posición exacta y el momento de una partícula.

El espectrómetro de masa es un instrumento utilizado para determinar los tipos de isótopos de un elemento, las masas exactas de estos isótopos y la cantidad relativa de cada isótopo presente .

PARTICULAS SUB

ATOMICAS

Según la teoría atómica de Dalton los átomos eran indestructibles; en realidad esto es correcto sólo para las reacciones químicas. No obstante, para la década de 1930 los científicos ya habían descubierto que los átomos se encuentran constituidos por partículas subatómicas (más pequeñas que el átomo), pero que éstas se obtenían mediante procesos físicos y no químicos.

Los átomos están constituidos por proto-nes, neutrones y elec-trones. Los dos prime-ros se encuentran en el núcleo del átomo y los electrones forman la envolvente.

¿Sabías que?Los protones y neutrones están constituidos por partículas denomi-nadas quarks, y actualmente se es-tá investigando la posibilidad de que los quarks estén constituidos por otras partículas.

Las partículas subatómicas tienen dos propiedades, las que nos permiten diferenciarlas entre sí, éstas son: la masa y la carga.

Partículas con cargas iguales se repelen.

Partículas con cargas diferentes se atraen.

La siguiente tabla resume la masa y carga de las partículas subatómicas:Característica

Protón Neutrón Electrón

Carga relativa + 1 0 -1Masa Relativa 1 1 0Masa (g) 1.67265 x

10-241.67495 x

10-249.10953 x

10-28Ubicación en el átomo

Núcleo Núcleo Fuera del núcleo

Descubridor Goldstein Chadwick ThomsonAño de descubrimiento

1886 1932 1875

El número atómico (Z) de un elemento es el número de protones de los átomos que constituyen al referido elemento químico. El número de masa (A) es el resultado de la suma entre el número de protones (Z) y el número de neutrones, ambos, ubicados en el núcleo de un átomo.

Qué es un núclido?: todo átomo de un elemento que tiene una composición nuclear definida, es decir, con un número de protones y neutrones definidos.Qué es un nucleón?: el número de protones y neutrones que están en el núcleo.

Resumiendo:X: Símbolo del elementoA: Número de masa = protones + neutronesZ: Número atómico = número de protonesEl átomo es neutro por lo tanto:

NÚMERO DE PROTONES = NÚMERO DE ELECTRONES

Ejemplo:

Símbolo Nuclear

150 Sm62

80 -5 Br35

65 +2 Zn30

Nombre Samario

Bromo Zinc

# de p+

62 35 30

# de n° 88 45 35

# de e– 62 40 28

A 150 80 65

Z 62 35 30

Las cargas positivas se restan del número de protones, porque son electrones que se cedieron. Las cargas negativas se suman a los protones porque son los electrones ganados. Recuerde que el átomo tiene igual número de electrones y protones, el signo indica pérdida o ganancia de electrones. Ni los protones, ni los neutrones pueden “perderse” o “ganarse” en una reacción química ordinaria.Estas partículas (protones y neutrones) sumadas dan el número de masa y representan las partículas totales del núcleo.El número atómico o número de protones, es una característica individual de cada elemento. No existen dos elementos con el mismo número atómico, es como la huella digital de los elementos.

Ejercicio:Símbolo Nuclear

157 Gd64

75 - 3 As33

52 +6 Cr24

+3

A 197

N° 32

e- 78

Z 79

p + 27

Nombre

Ejercicio: SoluciónSímbolo Nuclear

157 Gd64

75 - 3 As33

52 +6 Cr24

197+1 Au79

59 +3 Co27

A 157 75 52 197 59

N° 93 42 28 118 32

e- 64 36 18 78 24

Z 64 33 24 79 27

p + 64 33 24 79 27

Nombre Gadolinio Arsénico Cromo Oro Cobalto

Ejercicio:

Examinemos un átomo de sodio, que tiene 11 protones, 11 electrones y un número de masa de 23 umas.

a)¿Cuál es la carga eléctrica total del átomos?b)¿Cuántos neutrones tiene este átomo?c)¿Cuál es el número atómico del sodio?

Ejercicio: Solución

a) La carga total es cero. El número de electrones (cada uno con una carga de -1) es igual al número de protones (cada uno con una carga de +1)

b) Este átomo tiene 12 neutrones. Número de neutrones = número de masa-protonesNúmero de neutrones = 23 – 11 = 12

c) El número atómica es 11; tiene 11 protones.

Considera el ión:

¿ Cuál es su número másico?¿ Cuál es su número atómico?¿ Cuántos electrones tiene?¿ Cuántos neutrones tiene?

27 +3

Al13

Considera el ión:

¿ Cuál es su número másico?¿ Cuál es su número atómico?¿ Cuántos electrones tiene?¿ Cuántos neutrones tiene?

131

Xn54

Considera el ión:

¿ Cuál es su número másico?¿ Cuál es su número atómico?¿ Cuántos electrones tiene?¿ Cuántos neutrones tiene?

35 -

Cl17

Considera el ión:

¿ Cuál es su número másico?¿ Cuál es su número atómico?¿ Cuántos electrones tiene?¿ Cuántos neutrones tiene?

235

U92

Completar el siguiente cuadro: