Liceo Polivalente InglesQuímica 2° medio 2011

Profesor Francisco García Q.

GUÍA Nº1: MODELOS ATÓMICOS

...Naturaleza Eléctrica de la Materia

La electricidad fue por primera vez observada por Thales de Mileto en el siglo VI a.C. Frotó un trozo de ámbar con un paño y vio como las briznas (pastos secos, plumas, etc) se adherían al ámbar una vez frotado. El término electricidad deriva de la palabra griega “elektrón” nombre que designaba al ámbar.

La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga.

ORÍGENES DE LA TEORÍA ATÓMICA

Las primeras teorías atómicas, remontan al siglo V a.C. Cuando Leucipo y Demócrito, sugerían que el Universo (así como toda la materia) estaba formada por partículas indivisibles, a las que llamaron átomos (a: sin; tomos: división). Demócrito creía que estas partículas se hallaban en constante movimiento, que podían unirse entre sí en combinaciones estables. Propuso que: “Las diversas sustancias resultan de los diversos tamaños, formas y arreglos de estos átomos”.

MODELO ATÓMICO DE DALTON

En 1808, de acuerdo a Leucipo y Demócrito y, en base a evidencias científicas de: Lavoisier y, Proust y observaciones propias, el inglés John Dalton propuso los postulados de su Teoría atómica:

1. Toda la Materia está formada por átomos.

2. Los átomos son partículas indivisibles e invisibles.

3. Los átomos de un elemento son iguales entre si. (Es decir presentan igual masa e iguales propiedades)

4. Los cambios químicos corresponden a una reordenación, combinación o separación de átomos.

5. Los átomos que forman los compuestos son de dos o más clases diferentes.

Los compuestos son el resultado de la combinación o, asociación de átomos y estas asociaciones de átomos pueden volver a separarse.

Los átomos al combinarse o al volver a separarse no pierden su identidad, es decir no experimentan transformaciones.

6. Los átomos que forman los compuestos están en una relación de números enteros y sencillos.

Por ejemplo Si una sustancia formada por átomos de A, reacciona con otra sustancia, formada por átomos de B, puede hacerlo en las siguientes combinaciones:

1 átomo de A se asocia con 1 átomo de B para formar AB ○●1 átomo de A se asocia con 2 átomos de B para formar AB2 ○●●2 átomos de A se asocian con 1 átomo de B para formar A2B ○○●2 átomos de A se asocian con 3 átomos de B para formar A2B2 ○○●●●

Las experiencias de Lavoisier, Proust y Dalton, se conocen como las leyes clásicas de la química:En el siglo XVIII, Antoine Lavoisier, considerado el padre de la química moderna, estableció la Ley de la Conservación de la Masa. En ella se dice que no se produce un cambio apreciable de la masa en las reacciones químicas.

Química 2º medio Modelos Atómicos: I Parte1

En 1801 el francés Joseph Proust establece la Ley de la Composición Definida o Constante. Esta ley, dice que un compuesto contiene siempre los mismos elementos en la misma proporción de masas. O expresada de otra manera, cuando dos elementos se combinan para dar un determinado compuesto lo hacen siempre en la misma relación de masas:

DESCUBRIMIENTO DE LAS CARGAS NEGATIVAS

Crookes diseño un aparato llamado “Tubo de Rayos Catódicos”, también conocido como Tubo de Crookes. Es un hecho experimental: Cuando en un tubo de vidrio que contiene un gas, a baja presión y, se aplica un alto voltaje, fluye una corriente eléctrica a través de él. Asociado a este flujo eléctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos rayos de luz de colores, denominados Rayos Catódicos, que son desviados por la acción de campos eléctricos y magnéticos.

En 1874 Stoney sugirió por primera vez la existencia de una “unidad natural de electricidad” a la cual llamó electrón, pero no pudo demostrar la existencia de estas partículas.

Luego, mediante un estudio cuidadoso de esta desviación, Sir Joseph John Thomson demostró en 1897 que los rayos estaban formados por una corriente de partículas cargadas negativamente, que llamó electrones.

Arriba Tubo de Rayos Catódicos, Thomson

A la derecha Experimento de Millikan

Thomson determinó para el electrón, la relación carga/masa = -1,76x108 C/g.

Por otra parte Millikan determinó la carga del electrón mediante su experimento de gotas suspendidas en aceite. Obtuvo un valor de –1,6x10-19 C.

Ambos trabajos permitieron determinar la masa del electrón:

Masa del Electrón = Carga = -1,6x10 -19 C = 9,09x10-28 g Carga/masa -1,76x108 C/g

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

A partir de las observaciones realizadas por J.J.Thomson al tubo de rayos catódicos, nace una interrogante: …La materia en estado normal es neutra, es decir no posee carga eléctrica, pero se conocen en ella partículas cargadas negativamente… ¿Entonces como se mantiene la neutralidad de carga?...

Thomson a partir de sus estudios de los rayos catódicos. Considera al átomo como una gran esfera con carga eléctrica positiva, sobre la que se distribuyen los electrones, ordenadamente y separados entre sí. El principal aporte de Thomson, fue introducir la idea de que el átomo puede dividirse en partículas subatómicas.

Química 2º medio Modelos Atómicos: I Parte2

PROTONES

En 1886, Eugene Goldstein observó que al trabajar con un tubo de descarga de cátodo perforado, en dirección opuesta a los rayos Catódicos, se desprendía una radiación. Estos rayos se denominaron Rayos Canales y resultaron ser partículas con carga positiva producto del choque de los rayos catódicos con los átomos de los gases residuales en el tubo.

Al utilizar Hidrógeno de gas residual, se logró determinar la relación carga/masa para el protón 9,58x104 C/g, de lo cual se desprende que la masa del protón es 1,67x1024 g.

DESCUBRIMIENTO DE LAS PARTICULAS RADIOACTIVAS

Las reacciones químicas en general implican cambios en la estructura electrónica externa de los átomos o moléculas. Por otra parte, los núcleos atómicos cambian de posición uno respecto a otro, pero no cambia estructura interna. También hay reacciones químicas en que los componentes de los núcleos participan en algunas transformaciones en los cuales los productos finales no contienen los mismos elementos en los núcleos reactivos. Estos cambios se estudian en el área de la denominada Química Nuclear.

En 1896 el fisicoquímico; Antoine Henry Bequerel, científico francés, mientras estudiaba las propiedades de algunos minerales, entre ellos sales de uranio encontró que emitían cierta radiación con mayor poder de penetración que los rayos X, los cuales velaban una placa fotográfica aun cuando estuvieran cubiertas y a oscuras.

En un comienzo, Becquerel pensó que las sales de uranio eran fosforescentes, es decir, que después de ser expuestas a los rayos solares, emitían los rayos que acababa de descubrir Roentgen. Para verificar esta hipótesis, mantuvo en la oscuridad, durante varios meses, las sales de uranio y comprobó que no había disminuido la capacidad de éstas de ennegrecer las emulsiones fotográficas.

De esto dedujo que la radiación emitida por las sales de uranio no era debida a un fenómeno de fosforescencia y que no dependía en absoluto de excitaciones previas. Observó también que el aire que rodea a las sales se hacía más conductor, como lo mostraba el hecho de que un electroscopio próximo a las sales se descargase.

En el año 1898, G. C. Schmidt y M. Curie, independientemente, encontraron que el Torio emitía radiaciones del mismo tipo que el uranio. En Julio del mismo año Marie y Pierre Curie, pudieron aislar de una tonelada de pechblenda (contiene 80% de óxido de uranio U3O8) un gramo de un nuevo elemento que era más radiactivo que el uranio, al cual bautizaron con el bautizaron con el nombre de Polonio. Seis meses más tarde el matrimonio Curie descubrió otro elemento radioactivo hasta entonces desconocido que era 300 000 veces más radioactivo que el Uranio, al cual llamaron Radio.

Actualmente se conocen unos treinta elementos radiactivos y todos ellos tienen su origen o en el uranio o en el torio. Pero ¿y qué son las radiaciones emitidas por estas sustancias radiactivas que implican el cambio espontáneo de átomos de esas sustancias en otros átomos?

Ernest Rutherford logró identificar y separar este tipo de radiaciones, mostró que aplicando un campo magnético intenso, perpendicularmente a la dirección de la emisión, la radiación podía ser desviada, y que una componente de la radiación total era muy penetrante y no se la podía desviar ni con campos eléctricos o magnéticos de gran intensidad. A esta componente se la llamó "radiación y, demostrándose que ésta es radiación electromagnética de muy alta frecuencia. Los rayos desviados corresponden a partículas α y β, y se demuestra que éstas son de naturaleza eléctrica.

NATURALEZA DE LAS PARTICULAS RADIOACTIVASQuímica 2º medio Modelos Atómicos: I Parte3

Partículas alfa (α): Corriente de partículas cargadas positivamente y que llevan una carga +2 y una masa de 4. Son núcleos de Helio (4

2He+2). Se mueven a una velocidad de 20 000 (m/s) Presenta una penetración en los tejidos de 0,01 cm. Pueden ser detenidas por una hoja de papel. Poseen gran poder ionizante.

Partículas beta (β): Corriente de partículas cargadas negativamente que tiene todas las propiedades de los electrones de alta energía.

Se mueven a velocidades cercanas a la luz. Penetran hasta 1cm, atraviesan una hoja de papel pero son detenidos por una lámina de aluminio de 1cm. Su poder ionizante es 1000 veces menor que las partículas alfa.

Partículas gamma (γ): Es radiación electromagnética de muy alta energía (longitud de onda de 0,005 a 1 Aº), mayor que la de los rayos X. Como se trata de energía no posee ni carga ni masa. Penetración hasta 100 cm, atraviesan el cuerpo humano pero son detenidos por una lámina de plomo de 5 cm.

La Radioactividad presenta una serie de características muy particulares como:

1. La emisión de las radiaciones es independiente del hecho de encontrarse el elemento radioactivo en libertad como sustancia simple, o formar parte de un compuesto químico.

2. La radiación es independiente de los factores que producen y aceleran otras reacciones químicas como el calor, luz, presión, catalizadores, etc)

3. Las radiaciones emitidas por los elementos radiactivos, además de impresionar placas fotográficas y de atravesar capas de materiales opacos, tienen la propiedad de ionizar gases, excitare la fluorescencia y producir reacciones químicas.

EXPERIMENTO DE RUTHERFORD

En 1911 Ernest Rutherford y sus colaboradores Geiger y Marsden diseñaron un experimento que modificó las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo:

Bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa α (núcleos de helio He+2). Observó en una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas:

La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección, ya que los átomos no son macizos, sino principalmente vacíos.

Algunas partículas (las positivas), se desviaron porque pasaron por las proximidades de un núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro.

De esto se desprende que: En el interior del átomo, las partículas positivas, están separadas de las negativas.

Y otras partículas no atraviesan la lamina (rebotaban), eran reflejadas hacia atrás con ángulos muy pequeños. Se dedujo que chocaban con algún corpúsculo de mayor masa que la radiación incidente.

Química 2º medio Modelos Atómicos: I Parte4

De sus experimentos, Rutherford, demostró que el átomo está formado por dos partes:

1. NúcleoParte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo. La carga positiva del núcleo, en su experimento es la responsable de la desviación de las partículas α alfa (también con carga positiva).

Posteriormente se descubrió que el núcleo atómico también contenía los neutrones. El neutrón fue descubierto experimentalmente en 1932 por Chadwick, quien, al bombardear el berilio con partículas α, observó que se producían unas partículas que identificó con los neutrones predichos por Rutherford.

2. Corteza Es casi un inmenso vacío, comparado con el núcleo. Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa. Como en un sistema solar, los electrones giran alrededor del núcleo. Los electrones están ligados al núcleo por la atracción eléctrica entre cargas de signo contrario. Esto explica que la mayor parte de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro sin desviarse.

Con sus experimentos, Rutherford demostró que: los átomos no eran macizos, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.

Modelo atómico de Bohr

Niels Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para realizar el modelo que lleva su nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de emisión y absorción discretos que se observan en los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo atómico de Bohr partía conceptualmente las incipientes ideas sobre cuantización que habían surgido unos años antes con las investigaciones de Max Planck y Albert Einstein. Debido a su simplicidad el modelo de Bohr es todavía utilizado frecuentemente como una simplificación de la estructura de la materia.

Normalmente el electrón en un átomo de hidrógeno se encuentra en la órbita más próxima al núcleo (n=1). Esta es la energía permitida más baja, o el estado fundamental. Cuando el electrón adquiere un cuanto de energía (correspondiente a la cantidad de energía más pequeña existente) pasa a un nivel más alto (n=2,3,...) se dice entonces que el átomo se encuentra en un estado excitado. En este estado excitado el átomo no es estable y cuando el electrón regresa a un estado más bajo de energía emite una cantidad determinada de energía, que es la diferencia de energía entre los dos niveles.

Como ya has visto, los átomos cuentan con un núcleo compuesto con por protones con carga positiva y neutrones con carga neutra, que evitan la repulsión entre los primeros, y es aquí donde se concentra toda la masa del átomo. La cantidad de protones más neutrones concentradas en el núcleo se representa por del número másico (A), y la cantidad de protones por el número atómico (Z), que pera un átomo neutro correspondería a la misma cantidad de electrones. En el primer nivel de energía (n=1) solo pueden haber como máximo 2 electrones, en el segundo con un máximo de 8 antes de pasar al tercer nivel.

Química 2º medio Modelos Atómicos: I Parte5

ACTIVIDAD

COMPLETAR EL SIGUIENTE CUADRO A MODO DE RESUMEN DE LO LEÍDO.

1. QUÉ DIFERENCIAS ENCUENTRAS ENTRE LOS MODELOS. CREA UN CUADRO COMPARATIVO DONDE MARQUES LAS DIFERENCIAS DE LOS 4 MODELOS.

2. QUÉ IMPORTANCIA TIENE CADA MODELO EN PARTICULAR. DESCRIBE UNO POR UNO

3. QUE DIFERENCIAS EXISTEN ENTRE PARTÍCULAS ALFA, BETA Y GAMMA

4. QUE ERA LO QUE PASABA CUANDO THALES DE MILETO FROTABA EL AMBAR. EXPLIQUE A PARTIR DE LO LEÍDO

Química 2º medio Modelos Atómicos: I Parte

Año Científico Descubrimientos experimentales Modelo atómico

1808

John Dalton

1897

J.J. Thomson

1911

E. Rutherford

1913

Niels Bohr

6