TEMA 5: MODELOS ATÓMICOS La pequeña historia MÉTODO …

[Pages:8]TEMA 5: MODELOS AT?MICOS

La peque?a "historia" del ?tomo es un ejemplo magn?fico del M?TODO CIENT?FICO: se idean modelos de como creemos que es la realidad, que son v?lidos si explican hechos conocidos y previenen otros desconocidos, y dejan de ser v?lidos cuando nuevos resultados experimentales no concuerdan con el modelo. Esto es lo que ocurri? con la idea de ?tomo (y probablemente la historia contin?e...).

Breve explicaci?n hist?rica sobre el ?tomo

Imaginemos que cogemos una hoja de papel de aluminio y que la troceamos en mitades muchas veces, ?podr?amos dividirla indefinidamente en trozos m?s y m?s peque?os? ?Seguir?an siendo aluminio eses trozos? Los fil?sofos de la antigua Grecia pensaron mucho sobre esto. Leucipo (450 a.C.) supuso que despu?s de muchas divisiones llegar?amos a tener una part?cula tan peque?a que no se podr?a dividir m?s veces. Su disc?pulo Dem?crito, llam? ?tomos a estas part?culas indivisibles (?tomo significa indivisible en griego). Pero para otros fil?sofos, principalmente Arist?teles, la idea de ?tomos indivisibles les resultaba parad?jico y la rechazaron. Arist?teles pensaba que todas las sustancias estaban formadas por mezclas de cuatro elementos: aire, tierra, agua y fuego. El enorme prestigio de Arist?teles hizo que nadie cuestionase sus ideas, y los ?tomos fueron olvidados durante m?s de 2.000 a?os. LOS FIL?SOFOS GRIEGOS NUNCA EXPERIMENTABAN, YA QUE TRABAJAR CON LAS MANOS ERA COSA DE ARTESANOS; ELLOS SOLO PENSABAN. CRE?AN QUE LA MENTE ERA SUFICIENTE PARA CONOCER LA VERDAD.

UN MODELO AT?MICO es una representaci?n que describe las partes que tiene un ?tomo y c?mo est?n dispuestas para formar un todo. Veamos los distintos modelos que han ido surgiendo:

1. Modelo at?mico de Dalton 1808-1810

Un ?tomo es la part?cula m?s peque?a de un elemento que conserva sus propiedades. Un elemento es una substancia que est? formada por ?tomos iguales. Un compuesto es una substancia que est? formada por ?tomos distintos combinados en una relaci?n

num?rica sencilla y constante. En una reacci?n qu?mica los ?tomos no se crean ni se destruyen, solo cambian las uniones entre ellos

Ten?amos la siguiente situaci?n a principios del s. XIX: Dalton determinara que la materia estaba formada por ?tomos. Distintas experiencias demostraban que la materia pod?a ganar o perder cargas el?ctricas. Por lo tanto, la pregunta era: ?LAS CARGAS EL?CTRICAS FORMAN PARTE DE LOS ?TOMOS?

2. El modelo at?mico de Thomson (modelo pudin de pasas)

J.J. Thomson encontr? que en los ?tomos existe una part?cula con carga el?ctrica negativa, a la que llam? electr?n. Pero como la materia solo muestra sus propiedades el?ctricas en determinadas condiciones (la electrolisis, la adquisici?n de carga el?ctrica cuando frotamos los cuerpos ...), debemos suponer que es neutra. As?:

"El ?tomo es una esfera maciza de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones"

3. El modelo at?mico de Rutherford

Este cient?fico descubri? el prot?n: part?cula que tiene la misma carga que el electr?n, pero positiva, y su masa es unas 1840 veces mayor que la del electr?n. Postul? que:

El ?tomo tiene un n?cleo central en el que est?n concentradas la carga positiva y pr?cticamente toda su masa.

La carga positiva de los protones es compensada con la carga negativa de los electrones, que est?n fuera del n?cleo.

El n?cleo contiene protones en n?mero igual al de electrones del ?tomo. Los electrones giran a mucha velocidad en torno al n?cleo y est?n separados de ?ste por una gran distancia.

La suma de la masa de los protones y de los electrones no coincide con la masa total del ?tomo, por lo que Rutherford supuso que en el n?cleo ten?a que existir otro tipo de part?culas. Posteriormente, James Chadwick descubri? estas part?culas sin carga, y masa similar a la del prot?n, que recibieron el nombre de neutrones.

4. Modelo at?mico de Bohr

Seg?n Plac y Einstein, la energ?a de un sistema no puede aumentar o disminuir continuamente, sino a saltos. El electr?n se mueve en unas ?rbitas circulares permitidas (niveles de energ?a), donde no admite ni absorve energ?a.

La gran diferencia entre este y el anterior modelo es que en el de Rutherford los electrones giran describiendo ?rbitas que pueden estar a una distancia cualquiera del n?cleo, mientras que en el modelo de Bohr s?lo se pueden encontrar girando en determinados niveles

5. El modelo actual: llamado mec?nico-cu?ntico

Aqu? se sustituye la idea de que el electr?n se sit?a en determinadas capas de energ?a por la de orbital: zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electr?n es m?xima

ESTRUCTURA DEL ?TOMO

Como resultado de todas las investigaciones, el ?tomo est? constituido como sigue:

Una zona central o n?cleo donde se encuentra el total de la carga positiva (protones), y la mayor parte de la masa del ?tomo (protones + neutrones). El n?mero de protones es fijo para todos los ?tomos de un mismo elemento. El n?mero de neutrones puede variar. Una zona externa o corteza, donde est?n los electrones, que giran alrededor del n?cleo. Hay tantos electrones en la corteza como protones en el n?cleo, por lo que el conjunto del ?tomo es el?ctricamente neutro.

El tama?o del ?tomo Considerado como una esfera, el ?tomo tiene un radio de 10-10 m, y el n?cleo tiene un radio de 10-14 m. Es decir:

Si el ?tomo fuese del tama?o de un campo de f?tbol, el

n?cleo ser?a como una bola colocada en su centro y los electrones cabezas de alfiler que giran alrededor del campo.

Ejercicios:

1. Part?cula Masa (kg) Carga

Prot?n 1'6725 ? 10-27 + 1'6021 ? 10-19

Neutr?n 1'6725 ? 10-27 0

Electr?n 9'1091 ? 10-31 - 1'6021 ? 10-19

a) ?Cu?ntas veces es m?s grande la masa del prot?n que la del electr?n? b) ?Cu?ntos electrones hacen falta para conseguir una carga de -1 C? c) ?cu?ntos electrones hacen falta para tener una 1 kg de electrones? d) ?Y 1 kg de protones?

2. Un ?tomo de ox?geno tiene 8 protones y 9 neutrones. a) ?Cu?ntas part?culas tiene en el n?cleo? b) ?Cu?ntos electrones tiene en la corteza? c) Dibuja este ?tomo seg?n el modelo de Rutherford

3. En el modelo de Rutherford los electrones giran alrededor del n?cleo. ?Por qu? giran y no escapan fuera del ?tomo? ?Qu? los mantiene retenidos?1

ATOMOS, IS?TOPOS E IONES

Identificaci?n de los ?tomos

El n?mero de protones de un ?tomo es fijo, representa su "carnet de identidad". Se llama n?mero at?mico y se representa mediante la letra Z. As?, al decir que el n?mero at?mico del sodio es 11 decimos que en el n?cleo hay 11 protones, y viceversa, todo ?tomo que tenga 11 protones es un ?tomo de sodio.

Se llama n?mero m?sico al n?mero de protones y neutrones, y se representa por la letra A.

El n?mero de neutrones, N, es la diferencia entre el n?mero m?sico y el n?mero at?mico.

Z = n?mero at?mico = n?mero de protones A = n?mero m?sico = n?mero de protones + n?mero de neutrones

N = A ? Z = n?mero de neutrones.

1 La carga negativa de los electrones hace que sean atra?dos por el n?cleo, donde se encuentra la carga positiva. El ?nico modo de vencer esta atracci?n es estar en continuo movimiento alrededor del n?cleo, algo parecido al movimiento de los planetas alrededor del Sol

Por ejemplo, para el fl?or tenemos que Z = 9 y A = 19. Deducimos que un ?tomo de fl?or tiene 9 protones y 10 neutrones en su n?cleo, as? como 9 electrones girando a su alrededor, si la carga es neutra.

Cualquier ?tomo de un elemento puede representarse as?:

A Z

X

X es el s?mbolo del elemento

A es el n?mero m?sico

Z es el n?mero at?mico

4. Calcula el n?mero de protones, el de protones m?s neutrones, el de neutrones y el de electrones de los siguientes ?tomos:

1 1

H

,

37Li ,

174N

,

3850Br ,

197 79

Au

5. Representa los ?tomos de los elementos siguientes:

Ox?geno: Z=8, A=16

Fl?or: Z=9, A=19

Calcio: Z=20, A=40

6. Corrige las afirmaciones falsas:

a) Todos los ?tomos de un elemento tienen el mismo n?mero de protones.

b) Todos los ?tomos de un elemento tienen el mismo n?mero at?mico.

c) Todos los ?tomos de un elemento tienen el mismo n?mero de electrones.

d) El n?mero at?mico y el n?mero m?sico son siempre n?meros enteros.

Is?topos

Llamamos is?topos a aqu?llos ?tomos que tienen el mismo n?mero de protones y distinto n?mero de neutrones. Por lo tanto son ?tomos de un mismo elemento qu?mico. Por ejemplo: cloro-35 y el cloro-37. La representaci?n simb?lica de estos ?tomos es y

Nombre N?mero at?mico, Z N?mero m?sico, A N?mero de protones N?mero de electrones N?mero de neutrones

Cloro-35

Cloro-37

Unos is?topos muy conocidos son los del carbono:

. Sabemos que este ?ltimo se utiliza

en arqueolog?a para datar restos de edades inferiores a 30mil o 40 mil a?os. El motivo es que el carbono-14 es

un radiois?topo (is?topo radiactivo de un elemento), es decir, emite radiactividad. Se genera en la atm?sfera

de manera continua y existe un equilibrio entre su formaci?n y su desintegraci?n radiactiva. Todos los seres

vivos absorben CO2, y por eso encontramos C-14 en toda la materia viva. Cuando un ser vivo muere la

concentraci?n ce C-14 empieza a disminuir. Si medimos la concentraci?n de C-14 de una muestra podremos

saber su antig?edad.

Iones

Un i?n es un ?tomo que ha perdido o ganado alg?n electr?n. Si pierde un electr?n, adquiere carga positiva y se convierte en un i?n positivo o cati?n. Si gana un electr?n, adquiere carga negativa y se convierte en un i?n negativo o ani?n.

Por ejemplo:

representa un ?tomo de calcio, con Z=20. Significa que este ?tomo neutro tiene 20

protones y 20 electrones.

2+ significa que ha perdido 2 electrones y tiene una carga positiva +2

7. Completa la siguiente tabla:

Nombre

S?mbolo Z

Cati?n aluminio

3+

A

N? de protones

N? de

N? de

electrones neutrones

Carga

...... cobre

29 63

28

13

13

14

C?MO DIBUJAR UN ?TOMO: CONFIGURACI?N ELECTR?NICA

La configuraci?n electr?nica de un ?tomo es el n?mero de electrones que hay en cada capa. Lo dibujaremos siguiendo el modelo de Bohr. Seg?n este modelo en la primera capa electr?nica hay como m?ximo 2 electrones; la 2? capa 8 electrones; la tercera hasta 18; la cuarta hasta 32... Ahora bien cuando la tercera capa tiene los primeros 8 electrones empieza a llenarse la cuarta.

8. Dibuja la configuraci?n electr?nica de

,

, , , Al3+

ELEMENTOS Y COMPUESTOS

Sabemos que a partir de los ?tomos obtenemos elementos y compuestos. As? un elemento es una sustancia que est? formada por ?tomos iguales y un compuesto es la sustancia que est? formada por ?tomos distintos combinados en proporciones fijas. Hasta 1700 solo se conoc?an 12 elementos, pero a lo largo del s. XIX y XX se fueron descubriendo todos los que hasta ahora conocemos, 114 elementos. Surge por lo tanto el problema de clasificarlos.

1. Primera clasificaci?n de los elementos: Atendiendo a su aspecto y propiedades f?sicas pueden ser metales y no metales.

Metales Poseen un brillo caracter?stico. Son opacos. Buenos conductores del calor y la corriente el?ctrica. Maleables y d?ctiles, es decir, pueden formar l?minas delgadas y alambres Con la excepci?n del mercurio, son s?lidos a temperatura ambiente, y la mayor?a tiene elevados puntos de fusi?n. Tienden a perder electrones. Ejemplos: oro, cobre, aluminio, esta?o

No metales No tienen brillo met?lico. Malos conductores del calor y la electricidad. A temperatura ambiente pueden ser s?lidos, l?quidos o gases. En estado s?lido son fr?giles. En general, los s?lidos tienen puntos de fusi?n bajos, y los l?quidos tienen punto de ebullici?n tambi?n bajos. Tienden a captar electrones. Ejemplos: azufre(s), bromo(l), fl?or(g), yodo(s)

Hay un tercer grupo: los gases nobles: Est?n en la naturaleza como ?tomos aislados Son gases a temperatura ambiente. Son muy estables, no forman compuestos. No gana ni pierden electrones. Ejemplos: Helio, Ne?n (que se usa en los tubos fluorescentes "luces de ne?n"), Arg?n, Rad?n

2. Tabla peri?dica y s?mbolos. En la actualidad los elementos est?n ordenados por sus n?meros at?micos en filas (periodos) y columnas (grupos), de menor a mayor n?mero at?mico, de modo que en la misma columna est?n elementos con propiedades qu?micas semejantes. Cada recuadro corresponde a un elemento qu?mico. En ?l consta su s?mbolo, el nombre del elemento, el n?mero at?mico y la masa at?mica en uma (u; 1 u = 1,66.10-24 gramos) Grupos e per?odos notables _ El grupo 1 (Li, Na, K... ) son los elementos alcalinos (excepto el hidr?geno). _ El grupo 2 (Be, Mg... ) son los alcalinoterreos. _ Del grupo 3 hasta el 12 son los metales de transici?n. _ El grupo 18 son los gases nobles o gases inertes. _ El grupo 17 son los hal?genos,

AGRUPACI?N DE LOS ?TOMOS EN LA MATERIA. ENLACES QU?MICOS

Los ?tomos que constituyen los distintos tipos de materia pueden aparecer aislados o unidos, formando mol?culas o cristales (part?culas ordenadas geom?tricamente formando filas y planos que se extienden en las tres direcciones del espacio)

Mol?cula de agua mol?cula ox?geno Red cristalina met?lica

La uni?n entre dos ?tomos se llama "enlace qu?mico". ?POR QU? SE ENLAZAN LOS ?TOMOS? Porque juntos tienen menos energ?a que separados; de hecho los ?tomos tienden a colocarse de forma que tengan la menor energ?a posible.

Enlace qu?mico: es una fuerza de atracci?n que mantiene unidos a los ?tomos, iones o mol?culas. Este enlace es siempre de naturaleza electrost?tica. Los ?tomos se pueden unir entre s? de tres formas que dan lugar a tres tipos de enlace diferentes: enlace i?nico, enlace covalente e enlace met?lico.

Regla del octeto Los ?tomos de los gases nobles (He, Ne, Ar... ) no se enlazan con otros ?tomos: son gases monoat?micos, eses ?tomos ya son estables e no precisan enlazarse con otros para disminuir su energ?a. ?Qu? tienen de especial estos ?tomos? Pues que tienen ocho electrones en la ?ltima capa. Los qu?micos pensaron que los dem?s ?tomos deber?an tener tambi?n tendencia a tener ocho electrones en la ?ltima capa (regla del octeto), y eso pueden conseguirlo enlaz?ndose con otros ?tomos ganando, perdiendo o compartiendo algunos electrones.

Enlace covalente: ocurre cuando dos ?tomos comparten sus electrones como, por ejemplo, cuando se unen dos mol?culas de hidr?geno (H + H = H2). Se da entre los no metales, pues ninguno tiende a perder sus electrones. ?Qu? mantiene la uni?n? La fuerza de atracci?n entre las cargas positivas de los n?cleos y las cargas negativas de los electrones que se comparten. Pueden formar mol?culas, como el agua (gases o l?quidos, punto de fusi?n bajo, no conduce la electricidad) o redes (cristales) como el diamante o el grafito (temperatura de fusi?n elevada, muy duros)

Enlace i?nico o electrovalente: es debido a la fuerza de atracci?n entre iones con cargas de signo contrario como, por ejemplo, un Cl- y un Na+, se atraen y forman NaCl (sal com?n). Suele darse entre elementos que est?n a un extremo y otro de la tabla peri?dica. O sea, entre no metales y metales. No forman mol?culas sino cristales de modo que el n?mero de cargas positivas sea igual al de cargas negativas (neutro). Por lo tanto su f?rmula indica la proporci?n en la que se encuentran los ?tomos ?Qu? mantiene la uni?n? La fuerza de atracci?n entre las cargas positivas y las cargas negativas que se forman; es decir, la fuerza de atracci?n entre los cationes y los aniones. Tiene puntos de fusi?n altos, en estado s?lido no conducen la electricidad pero s? disueltos; son fr?giles

Enlace met?lico: en estos casos ninguno de los ?tomos tiene m?s posibilidades que el otro de perder o ganar los electrones. La forma de cumplir la regla de octeto es mediante la compartici?n de electrones entre muchos ?tomos. Se crea una nube de electrones que es compartida por todos los n?cleos de los ?tomos que ceden electrones al conjunto. ?Qu? mantiene la uni?n? La fuerza de atracci?n entre las cargas positivas de los n?cleos y las cargas negativas de la nube de electrones. Este tipo de enlace se da entre los metales y sus aleaciones.

En la figura, las bolas grandes son los cationes del metal, y los puntos m?viles entre ellas son los electrones. La figura de la derecha es una representaci?n tridimensional de la red met?lica del cobre.

aces1.htm

ACTIVIDADES 1. Completa el cuadro siguiente:

?tomo

Z

Na

Si

Ca

20

O

S

16

K+

S-2

16

A

N? protones N? neutrones

N? electrones

Configuraci?n electr?nica

11

12

28

14

20

16

32

19

21

32

2. Indica, en los siguientes is?topos, el n?mero at?mico, n? m?sico, n? de protones, n? de neutrones, n?

de electrones:He-4, Na-23, O-17 3. Dados los iones Li+, F-, O-2, Na+ y K+, se?ale los que tengan la configuraci?n de un gas noble

4. Indica el n?mero at?mico, m?sico y el s?mbolo del ?tomo

representado

 ................
................

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