Estructura atómica de la materia

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    19-Jul-2015

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<p>Estructura atmica</p> <p>El tomo est compuesto por</p> <p>- un ncleo central compuesto por protones y neutrones, que constituye la parte positiva del tomo y que contiene casi toda su masa.</p> <p>- electrones con carga negativa que giran alrededor del ncleo.</p> <p>Iones</p> <p>Son los tomos que han perdido o ganado electrones, con lo que han obtenido una carga elctrica positiva o negativa respectivamente.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Es verdad que un tomo se transforma en su ion negativo cuando gana electrones y en su ion positivo cuando gana protones en su ncleo?</p> <p>Es cierto que se transforma en su ion negativo al ganar electrones, pero si ganase protones se transformara en otro elemento diferente.</p> <p>Istopos</p> <p>Son tomos del mismo elemento, y por tanto con el mismo nmero atmico, que presentan diferente contenido en neutrones, y por ello distinto nmero msico.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Si un tomo neutro con 10 protones pierde 2 electrones, en qu se transforma? Sigue siendo el mismo elemento? Mantiene el mismo nmero msico?</p> <p>Se transforma en el ion con carga -2 del mismo elemento y al no variar sus neutrones mantiene su nmero msico.</p> <p>Nmero atmico Es el nmero de protones que hay en el ncleo atmico, se simboliza por la letra Z. Coincide con el nmero de electrones si el tomo es neutro.</p> <p>Nmero msico</p> <p>Es la suma del nmero de protones ms el nmero de neutrones (es el nmero de nucleones). Se representa con la letra A..</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Es verdad que un elemento qumico puede estar formado por tomos de diferente nmero atmico y msico?</p> <p>Los tomos de un elemento qumico tienen el mismo nmero de protones, por tanto el mismo nmero atmico pero pueden tener diferente nmero de neutrones, por tanto variar su nmero msico.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>En los siguientes tomos: X (Z=11; A=23), X (Z=20;A=40), X (Z=9; A=19), cuntos protones, neutrones y electrones hay?</p> <p>X tiene 11 protones y 12 neutrones, X tiene 20 protones y 20 neutrones, X tiene 9 protones y 10 neutrones.</p> <p>Unidad de masa atmica (uma)</p> <p>Es el patrn de medida de las masas atmicas y vale la doceava parte de la masa del tomo de carbono 12.</p> <p>Masa atmica de un elemento</p> <p>Masa del elemento segn la abundancia relativa de sus istopos en la naturaleza.</p> <p>Masa molecular</p> <p>Es la suma de las masas atmicas de los tomos que componen una molcula</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>La masa molecular del sulfato de aluminio es de 342 u, mientras que la de un mol de Al2(SO4)3 es 342 g. Cul de ambas cantidades es mayor? Recordemos que la masa del mol representa la de</p> <p>6,022 1023 molculas de la sustancia por tanto, necesariamente es mayor que la de una de ellas.</p> <p>Tabla peridica o sistema peridico de los elementos</p> <p>Refleja la ordenacin de los elementos qumicos, en grupos (columnas) y periodos (filas), en base a dos criterios:</p> <p>a) Orden creciente de nmeros atmicos</p> <p>b) Similitud de propiedades entre los elementos que estn en la misma columna.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Sobre los elementos A con Z = 11, B con Z = 17 y C con Z = 19:</p> <p>a) Cules son metales y cules no metales?</p> <p>b) En qu periodo se encuentra cada uno?</p> <p>c) Qu tipo de enlace se da en la unin de A con B?</p> <p>a) Empleando el sistema peridico observamos que A es el elemento Na (metal), B es el elemento cloro (no metal) y C es el potasio (metal).</p> <p>b) Na en el tercero, Cl en el tercero y K en el cuarto.</p> <p>c) Enlace entre metal y no metal, inico.</p> <p>Podras deducir, qu elemento es ms metlico, el bario o el calcio? y cul es ms no metlico, el</p> <p>oxgeno o el yodo?</p> <p>Dado que en la tabla peridica podemos ver que las propiedades metlicas de los tomos se incrementan de arriba abajo, el bario es ms metlico que el calcio. Y las no metlicas de abajo a arriba, el oxgeno es ms no metlico que el yodo.</p> <p>Tipos de Enlaces</p> <p> Enlace inico: Se produce al unirse un tomo de un elemento metlico con un tomo de un elemento no metlico, cediendo el tomo metlico un electrn al tomo no metlico. Se forman iones, por lo que el enlace es de tipo electroesttico. Se agrupan formando redes cristalinas.</p> <p> Enlace covalente de iones: Se produce al unirse un tomo de un elemento no metlico con otro tomo tambin no metlico o con un tomo de hidrgeno. Se comparten electrones entre los tomos que intervienen en el enlace. Se forman molculas o redes cristalinas de tomos.</p> <p> Enlace metlico: Se produce al unirse entre s tomos de los elementos metlicos. Los electrones no pertenecen a los tomos individuales sino que todos ellos son comunes al conjunto de los tomos que forman una red cristalina.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Intenta clasificar los siguientes compuestos segn los tipos de enlace que presentan: MgCl2, PCl5, Au, FeI3, SO2 y NH3.</p> <p> MgCl2, FeI3 son inicos por ser la unin de un metal con un no metal.</p> <p> PCl5 , SO2 y NH3 son covalentes por ser la unin de dos no metales.</p> <p> Au es un compuesto metlico.</p> <p>POR EJEMPLO...</p> <p>Seras capaz de indicar el estado fsico en que se pueden presentar las sustancias formadas por molculas y las formadas por cristales?</p> <p>Las molculas pueden presentarse en estado slido, lquido o gas, mientras que los cristales solo son slidos.</p> <p>ESTRUCTURA ATMICA</p> <p> La materia y los tomos</p> <p> El descubrimiento de las partculas subatmicas</p> <p> La estructura atmica</p> <p> Radiacin electromagntica: parmetros caractersticos</p> <p> Interaccin de la luz con la materia: espectros atmicos</p> <p> Distribuciones electrnicas de los tomos</p> <p> El enlace qumico</p> <p> El enlace de tipo inico</p> <p> El enlace de tipo covalente</p> <p> El enlace de tipo metlico</p> <p> Las fuerzas intermoleculares</p> <p>La materia y los tomosDesde la Antigedad, se consider que la materia era continua e indivisible hasta que en el siglo XVIII diversos experimentos confirmaron que era posible separarla en partculas ms pequeas que llamamos tomos.</p> <p>El concepto de tomo surgi en Grecia entre un conjunto de filsofos llamados atomistas, entre los que destacan Demcrito y Leucipo.</p> <p>Aristteles fue contrario a ellos, defendiendo que la materia era continua. Platn, aunque propona la existencia de formas elementales, no crea que stas fueran indivisibles en otras ms pequeas del mismo tipo.</p> <p>Los tomos de Dalton</p> <p>En 1808, en su libro Nuevo sistema de filosofa qumica, John Dalton (1766-1844) sent las bases de la teora atmica al postular que la materia estaba compuesta por unidades elementales, que denomin tomos. Su hiptesis se bas en los siguientes postulados:</p> <p> Los elementos estn constituidos por tomos, que son partculas materiales independientes, inalterables e indivisibles.</p> <p> Los tomos de un mismo elemento son iguales en masa y en el resto de propiedades.</p> <p> Los tomos de distintos elementos tienen diferentes masas y propiedades.</p> <p> Los compuestos se forman por la unin de los tomos de los correspondientes elementos en base a una relacin de nmeros enteros sencilla.</p> <p> En las reacciones qumicas, los tomos ni se crean ni se destruyen, solamente se redistribuyen para formar nuevos compuestos.</p> <p>Una vez que Dalton enunci su teora atmica, esta fue recibida con escasa oposicin por la mayora de los cientficos de la poca, a pesar de ser revolucionaria, pues consideraba a la naturaleza como discontinua, algo sumamente novedoso para su tiempo.</p> <p>Estas ideas de Dalton suponen el primer modelo terico para explicar la Qumica moderna.</p> <p>El principal argumento a favor de la validez de la teora atmica de Dalton era que permita interpretar de forma lgica todas las leyes ponderales.</p> <p>Posteriormente, el qumico sueco Jakob Berzelius (1779-1848) determin las masas atmicas de algunos elementos, con lo que la inclusin del tomo como unidad bsica en la estructura de la materia fue un hecho aceptado por la sociedad cientfica.</p> <p>Importante</p> <p>En la actualidad, el tomo se define como: La menor partcula constitutiva del elemento que conserva las propiedades de ste y no puede dividirse por mtodos qumicos, o tambin como: La partcula ms pequea de un elemento que puede participar en una combinacin qumica.</p> <p>El descubrimiento de las partculas subatmicasHoy en da, sabemos que la estructura interna de los tomos es la clave del comportamiento qumico de los diferentes elementos. Para conocerla, los cientficos utilizan la informacin que se obtiene de experimentos que estudian cmo se comporta la materia al hacerla interaccionar con la energa.</p> <p>A. El experimento de Michael Faraday</p> <p>Los primeros experimentos de este tipo datan de la primera mitad del siglo XIX y fueron realizados por Michael Faraday (1791-1867), que estudi el paso de la corriente elctrica a travs de disoluciones que contenan iones, proceso que se denomina electrolisis.</p> <p>Comprob que aunque los tomos se comportaban como si fuesen elctricamente neutros, deba ser posible que estuviesen formados por partculas ms pequeas cargadas elctricamente de forma opuesta que se neutralizaban entre s. Esta hiptesis movi a los cientficos a preparar experimentos que lo confirmasen.</p> <p>B. Los rayos catdicos</p> <p>En 1875, Willian Crookes (1832-1919) mejor el tubo de descargas elctricas, que haba sido creado por el alemn H. Qeissler en 1850, reduciendo la presin en su interior a casi el vaco (~103 mm de Hg) y conectndolo a un voltaje muy elevado (Fig. 1).</p> <p>Fig. 1. Generacin de rayos catdicos en un tubo de descarga.</p> <p>La electrolisis es un proceso por el que mediante la accin de la corriente elctrica se pueden producir reacciones qumicas de descomposicin.</p> <p>El paso de la corriente elctrica a travs de disoluciones acuosas de electrolitos (sales, cidos, bases) permite la formacin de nuevas sustancias</p> <p>En un dispositivo que consume energa, el ctodo es el electrodo negativo y el nodo es el positivo, como es el caso de los experimentos con tubos de descarga.</p> <p>En el caso de los dispositivos que producen energa, como son las pilas elctricas, la polaridad de los electrodos es la contraria: el ctodo es el electrodo positivo y el nodo el negativo.</p> <p>En dicho tubo, en la pared opuesta al ctodo, apareca una tenue coloracin verdosa provocada por el choque contra el vidrio de una radiacin emitida por el ctodo, que E. Goldstein denomin rayos catdicos. Estos rayos:</p> <p> Estn formados por partculas negativas que se propagan en lnea recta hacia el electrodo positivo el nodo.</p> <p> Tienen masa apreciable, pues si se coloca un molinillo en su camino se observa cmo se mueven las aspas, es decir, son partculas con energa cintica.</p> <p> Tienen naturaleza elctrica, pues con un imn o mediante un campo elctrico externo, se puede desplazar el haz luminoso fcilmente.</p> <p>Adems, se comprob que estas partculas eran siempre idnticas, independientemente del material del que estuviera hecho el ctodo y del tipo de gas residual del tubo. Por ello, se concret que deban ser componentes bsicos de cualquier tomo. Fue George Stoney (1826-1911) quien en 1891 los bautiz como electrones.</p> <p>Fig. 2. Propiedades de los rayos catdicos.</p> <p>a) Se propagan en lnea recta;</p> <p>b) Tienen masa;</p> <p>c) y d) Son de naturaleza elctrica negativa.</p> <p>Importante</p> <p>Los gases son aislantes elctricos para bajos voltajes, pero conductores a altos voltajes. Sometidos a bajas presiones y miles de voltios, emiten luz de diferentes colores, segn sea la naturaleza de dichos gases. En las ciudades existen anuncios publicitarios hechos con tubos luminosos que encierran gases en las condiciones comentadas.</p> <p>C. Los rayos canales</p> <p>Si los electrones son partculas negativas y la materia es elctricamente neutra, deben existir partculas con carga elctrica positiva que neutralicen los electrones de los tomos.</p> <p>Partiendo de esta premisa, se realizaron diversas experiencias con el objetivo de encontrarlas.</p> <p>En 1886, Eugen Goldstein (1850-1931) utiliz un tubo de descarga similar al de Crookes, pero en el que haba perforado el ctodo, realizando unos agujeros en l (Fig. 3). </p> <p>Fig. 3. Generacin de rayos canales en un tubo de descarga.</p> <p>Observ que al mismo tiempo que se producan los rayos catdicos existan otros que atravesaban los orificios del ctodo, produciendo la caracterstica luminiscencia al chocar con las paredes del tubo.</p> <p>Los denomin rayos canales, y descubri que estaban constituidos tambin por partculas, pero en este caso tenan que ser positivas, pues eran atradas por el ctodo. Lo extrao era que, a diferencia de lo ocurrido en los experimentos con rayos catdicos, la masa y la carga de esas partculas dependan del gas encerrado en el tubo. Los rayos canales son por tanto iones positivos del gas encerrado en dicho tubo.</p> <p>Masa del electrn: 9,1095341031 kg</p> <p>Carga del electrn: 1,6021891019 C</p> <p>Masa del protn: 1,6726481027 kg</p> <p>Carga del protn: 1,6021891019 C</p> <p>D. Protones y electrones</p> <p>Con estos datos, la explicacin ms aceptable para la constitucin de los tomos era:</p> <p> Los electrones se desprenden independientemente del tipo de ctodo utilizado para el experimento, luego se hallan bsicamente en toda la materia.</p> <p> Estos electrones, al ir hacia el nodo, chocan con las partculas del gas residual, arrancando de ellas otros electrones y dejndolas, por consiguiente, cargadas positivamente, de forma que son atradas por el ctodo. Por tanto, su masa y carga dependen de las del gas que las rodea.</p> <p>Ernest Rutherford (1871-1937) realiz en 1914 la misma experiencia utilizando gas hidrgeno por ser el tipo de tomo ms sencillo, con lo que las partculas positivas obtenidas deban ser las ms pequeas que pudieran existir. Comprob que:</p> <p> Su carga positiva era del mismo valor que la negativa del electrn.</p> <p> Su masa era alrededor de 1 836 veces mayor.</p> <p>Denomin protones a estas partculas. Dado que era posible obtener rayos canales y catdicos con cualquier gas y cualquier electrodo, se lleg a la conclusin de que el protn y el electrn eran componentes primordiales de todos los tomo</p> <p>La estructura atmica</p> <p>Los modelos atmicos</p> <p>Una vez descubierta la existencia de partculas negativas y positivas como partculas componentes de los tomos, era preciso explicar cmo se estructuraban para formarlos. Los cientficos proponan diversos modelos que intentaban explicar la constitucin de los tomos. Vamos a describir a continuacin los dos modelos primigenios ms importantes.</p> <p>A. El modelo de Thomson</p> <p>En 1898, Joseph J. Thomson (1856-1940), propuso su modelo atmico, que supona bsicamente la existencia de una esfera de electricidad positiva (pues todava no se haban descubierto los protones como partculas individuales), que inclua encajados tantos electrones como fueran necesarios para neutralizarla (Fig. 4).</p> <p>Fig.4. Esquema atmico de Thomson.</p> <p>Este modelo es coherente con los experimentos de tubos de descarga vistos antes, ya que encaja bien con la existencia de iones positivos formados al desprenderse los electrones por choques entre los tomos que constituyen el gas, y tambin con la electroneutralidad observada en la materia.</p> <p>B. El modelo de Rutherford</p> <p>El cientfico britnico Ernest Rutherford, en 1911, a fin de obtener informacin acerca de la estructura de los tomos, propuso un experimento consistente en bombardear con partculas a una lmina de oro de unos 5 000 de grosor, que tiene una anchura de u...</p>