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.

Demócrito fue el primero en utilizar este término y fue uno de los precursores de la teoría atómica. Él creía que todos los cuerpos u objetos deberían de estar formados por pequeñas partícu-las indivisibles (átomos).

No obstante, el concepto de materia continua e infinitamente divisible fue aceptado erróneamente durante 20 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 definidas (será estudiada más adelante), 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.

Teoría de Thomson

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.

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.

Thomson utilizando el tubo de rayos catódicos y con sus conocimientos de teoría electromagnética determinó analítica y experimentalmente la relación entre carga eléctrica y masa de un corpúsculo, obteniendo un valor numérico igual a -1.7 x 10^8 C/g; el valor negativo de esta cantidad se debe a la naturaleza negativa de este haz.

C (coulombs) es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional.

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, pero fue Thomson quien descubrió las características del protón. 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 cono-cer 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 y su masa es de 9.110 x 10–28 g y corresponde a 5.486 x 10–4 umas. 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 físico inglés, Sir James Chadwick (1891-1874) 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°

El espectrómetro de masa es un instrumento utilizado para determinar la forma más directa y exacta de los pesos atómicos y moleculares de los elementos.

EL ÁTOMO

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

10-24

1.67495 x 10-24

9.10953 x 10-28

Ubicación en el átomo

Núcleo Núcleo Fuera del núcleo

Descubridor Goldstein Chadwick Thomson

Año 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.

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.