Teorías de la Materia

¿Qué es al átomo?• átomo (del latín atomum, y éste del

griego ἄτομον, sin partes; también, se deriva de "a" no, y "tomo" divisible; no divisible).

• El átomo es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

El átomo en la antigüedad• Los filósofos griegos discutieron mucho

acerca de la naturaleza de la materia y concluyeron que el mundo era más simple de lo que parecía. Algunas de sus ideas de mayor relevancia fueron:

• Leucipo.

• Demócrito.

• Empédocles

• Aristóteles.

Leucipio y Demócrito• En el siglo V a. C., Leucipo sostenía que había un

sólo tipo de materia y pensaba que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, obtendríamos un trozo que no se podría cortar más. Demócrito llamó a estos trozos átomos ("sin división").

• La filosofía atomista de Leucipo y Demócrito podía resumirse en:

• 1.- Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles.

• 2.- Los átomos se diferencian en su forma y tamaño.• 3.- Las propiedades de la materia varían según el

agrupamiento de los átomos.

Leucipio - Demócrito

EmpédoclesEn el siglo IV a. C., Empédocles postuló que la materia estaba formada por 4 elementos: tierra, aire, agua y fuego.

AristótelesAristóteles, posteriormente, postula que la materia estaba formada por esos 4 elementos pero niega la idea de átomo, hecho que se mantuvo hasta 200 años después en el pensamiento de la humanidad.

En el mundo cristiano, la teoría de Aristóteles fue adoptada por los alquimistas, precursores de los científicos, que desarrollaron su actividad durante toda la Edad Media.

Los Alquimistas

Los Alquimistas• Los alquimistas de la Edad Media creían que para lograr

la transformación de metales como el plomo, sin gran valor, en oro o plata, había que agregar y combinar una cantidad justa de mercurio, a fin de lograr la transmutación.

• También pensaban que para que esta reacción se produjera tendría que ocurrir en presencia de un catalizador (sustancia que provoca la modificación de ciertos cuerpos sin modificarse ella misma) al que se llamó piedra filosofal.

• La historia de la alquimia es básicamente la historia de la búsqueda de este catalizador.

• En 1808, John Dalton  publicó su teoría atómica, que retomaba las antiguas ideas de Leucipo y de Demócrito. Según la teoría de Dalton:

• 1.- Los elementos están formados por partículas diminutas, indivisibles e inalterables llamadas átomos.

• Dalton estableció un sistema para designar a cada átomo de forma que se pudieran distinguir entre los distintos elementos:

Teoría Atómica de Dalton

• Los átomos de un mismo elemento son todos iguales entre sí en masa, tamaño y en el resto de las propiedades físicas o químicas. Por el contrario, los átomos de elementos diferentes tienen distinta masa y propiedades.

• Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos según una relación numérica sencilla y constante.

Teoría Atómica de Dalton

• De la teoría atómica de Dalton se pueden obtener las siguientes definiciones:

• - Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva sus propiedades.

• - Un elemento es una sustancia pura que está formada por átomos iguales.

• - Un compuesto es una sustancia que está formada por átomos distintos combinados en una relación numérica sencilla y constante.

Teoría Atómica de Dalton

Por ser tan pequeña la masa de los electrones, el físico inglés J. J. Thomson supuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del átomo correspondía a la carga positiva, que, por tanto, debía ocupar la mayor parte del volumen atómico. Thomson imaginó el átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se encuentran incrustados los electrones (como las pasas en un pudin).

Modelo Atómico de Thomson

El modelo de Thomson tuvo una gran aceptación hasta que, en 1911, el químico y físico inglés Ernest Rutherford y sus colaboradores llevaron a cabo el "Experimento de Rutherford“.

• En el experimento se bombardeaba una fina lámina de oro con partículas alfa (positivas) procedentes de un material radiactivo y se observaba que:

• La mayor parte de las partículas alfa atravesaban la lámina sin cambiar de dirección, como era de esperar.

• Algunas partículas alfa se desviaron considerablemente.

• Unas pocas partículas alfa rebotaron hacia la fuente de emisión.

Experimento de Rutherford

El átomo como elemento divisible

• Hoy sabemos que el átomo es divisible, puesto que está formado por partículas más pequeñas, llamadas partículas subatómicas.

• Estas pueden ser de tres tipos:

• Protones

• Neutrones

• Electrones

• Los protones y los neutrones están en el núcleo y los electrones están en continuo movimiento formando una “corteza” alrededor del núcleo.

Modelo Atómico de BohrEl modelo atómico de Bohr fue el primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el físico danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.

Modelo Atómico de Bohr: Postulados

• 1) El electrón sólo se mueve en unas órbitas circulares "permitidas" (estables) en las que no emite energía. El electrón tiene en cada órbita una determinada energía, que es tanto mayor cuanto más alejada esté la órbita del núcleo.

• 2) La emisión de energía se produce cuando un electrón salta desde un estado inicial de mayor energía hasta otro de menor energía.

La causa de que el electrón no radie energía en su órbita es, de momento, un postulado, ya que según la electrodinámica clásica un carga en movimiento acelerado debe emitir energía en forma de radiación.Para conseguir el equilibrio en la órbita circular, las dos fuerzas que siente el electrón: la fuerza coulombiana, atractiva, por la presencia del núcleo y la fuerza centrífuga, repulsiva por tratarse de un sistema no inercial, deben ser iguales en módulo en toda la órbita. Esto nos da la siguiente expresión:

Donde el primer término es la fuerza eléctrica o de Coulomb, y el segundo es la fuerza centrífuga; k es la constante de la fuerza de Coulomb, Z es el número atómico del átomo, e es la carga del electrón, me es la masa del electrón, v es la velocidad del electrón en la órbita y r el radio de la órbita.

En la expresión anterior podemos despejar el radio, obteniendo:

Y ahora con ésta ecuación y sabiendo que la energía total es la suma de las energías cinética y potencial:

Donde queda expresada la energía de una órbita circular para el electrón en función del radio de dicha órbita.

No todas las órbitas para electrón están permitidas, tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla que el momento angular, L, del electrón sea un múltiplo entero de:

Esta condición matemáticamente se escribe:

con

TEORIA ATÓMICA DE SOMMERFELD

• El modelo atómico de Sommerfeld es un modelo atómico hecho por el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) que básicamente es una generalización relativista del modelo atómico de Bohr (1913).

• En 1916, Arnold Sommerfeld, con la ayuda de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes modificaciones al modelo de Bohr:

• Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas circulares o elípticas.

• A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el mismo nivel.

• El electrón es una corriente eléctrica minúscula.

• En consecuencia el modelo atómico de Sommerfeld es una generalización del modelo atómico de Bohr desde el punto de vista relativista, aunque no pudo demostrar las formas de emisión de las órbitas elípticas, solo descartó su forma circular.

Teoría Atómica de la Mecánica Cuántica

La mecánica cuántica es una rama de la FISICA, que estudia la gravitación y el electromagnetismo.

Llamada también ondulatoria moderna.

Creada en el año de 1923 por Max Planck.

No tiene forma definida (difusa – de nube).

Teoría Atómica de la Mecánica Cuántica

Establece la Estructura del Átomo.

1.Envoltura o periferia (parte externa)

2.Núcleo (parte central)

Estructura del Átomo y Partículas subatómicas

Estructura del Átomo y Partículas subatómicas

SIMBOLO CARGA MASA

Electrones e- -1 0

Protones p+ +1 1

Neutrones n 0 1

Masa Atómica y Número Atómico

La masa atómica es la cantidad de protones y neutrones que tiene un átomo y se la representa con la letra A.

El número atómico es la cantidad de electrones que tiene un átomo y se lo representa con la letra Z.

Z = # e- = # p

Masa Atómica y Número Atómico

Para encontrar el número de neutrones se puede aplicar la siguiente formula:

A = (p+) + n

Entonces tendríamos:

n = A – p+

Y como p+ = Z

Reemplazamos:

n = A - Z

Masa Atómica y Número Atómico

Por ejemplo: ClA = 36

Z = 17

n = 36 – 17

n = 19

17p+19n

1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 - 7K – L – M – N – O –P – Q

2 – 8 – 18 – 32 – 32 – 18 - 8

IsótoposDel griego “isos” = mismo; “topos” = lugar.

Se llaman isótopos a los átomos de un mismo elemento con diferente cantidad de neutrones y por lo tanto diferente masa.

Isótopos

Movimientos del electrón

1. Traslación.- Es aquel movimiento que realiza el electrón al redor del núcleo.

2. Rotación.- Es aquel movimiento que realiza sobre su propio eje.

Este movimiento se lo llama spin del electrón (girar). Puede ser positivo si es a la derecha y negativo si es a la izquierda.

Niveles de energíaEs el lugar donde se encuentran los electrones.

Para encontrar el número máximo de electrones que se encuentra en una capa o nivel de energía, se eleva al cuadrado el número que corresponde al nivel y se lo multiplica por dos.

Subniveles de energía

OrbitalesEs la zona del átomo donde existe la mayor probabilidad de encontrar un electrón.

Principio de D’BroglieLos electrones presentan una dualidad de partícula y de onda; es decir que presentan ambas características al mismo tiempo.

Principio de BohrEl principio de los niveles estacionarios establece que el electrón puede girar alrededor del núcleo del átomo en forma indefinida.

Principio de Heissember

El principio de incertidumbre establece que es imposible conocer al mismo tiempo y con exactitud la trayectoria y el lugar donde se encuentran los electrones.

Principio de PaulingEl principio de exclusión indica que en un solo orbital sólo pueden estar un máximo de dos electrones y con spines opuestos.

Orbital incompleto o desapareado

Orbital saturado

Las flechas representan al spin del electrón.

Distribución electrónicaHidrógeno

A = 1,001 = 1

Z = 1

n = 1 – 1 = 0

1s1

1 s

Distribución electrónicaHelio

A = 4,003 = 4

Z = 2

n = 4 – 2 = 2

1s2

1 s

Distribución electrónicaLitio

A = 6,941 = 7

Z = 3

n = 7 – 3 = 4

1s2 2s1

1 2 s s

Distribución electrónicaNitrógeno

A = 14,00 = 14

Z = 7

n = 14 – 7 = 7

1s2 2s2 2p3

1 2 s s px py

Regla de HundEl principio de máxima multiplicidad establece que los electrones no completan un subnivel mientras existan orbitales vacíos o incompletos de ese mismo subnivel.

C: 1s2 2s2 2p2

N: 1s2 2s2 2p3

Na: 1s2 2s2 2p6 3s1

Diagrama de Möller

Z   =   6  C:       1 s 2 2 s 2 2 p 2

Z   = 17  Cl:      1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5

Z   = 20  Ca:     1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2

Z   = 26  Fe:     1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 6 4 s 2

Z   = 35  Br:     1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 10 4 s 2  4 p 5

Solamente hay dos excepciones:Z   = 24  Cr:     1 s 2 2 s 22 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 5 4 s 1

Z   = 29  Cu:     1 s 2 2 s 22 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 10 4 s 1

Regla del OctetoAl combinarse los átomos tienen la tendencia a completar en el ultimo nivel o capa más externa de energía ocho electrones.

Electrones de ValenciaSon los electrones que se encuentran en la última capa o nivel más externo de energía y que en la mayoría de veces indica la valencia del elemento.

• Cuando el átomo posee más de 4 electrones de valencia lo más probable es que gane electrones.

• Cuando el átomo posee menos de 4 electrones de valencia lo más probable es que pierda electrones.

Electrones de Valencia

Enlace QuímicoEnlace significa unión, un enlace químico es la unión de dos o más átomos dentro de una molécula.

Para la mayoría de los elementos se trata de completar ocho electrones en su último nivel.