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• Yiyoo Torres Celis

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ESTRUCTURA ATÓMICA

TEORÍA ATÓMICA DE LA MATERIA Demócrito (460 – 370 a.C.) “Todo el mundo material debía estar constituido por partículas indivisibles diminutas que llamaron átomos. Platón y Aristóteles. ”No pueden existir partículas indivisibles”. John Dalton (1803 – 1807). Planteó los siguientes postulados: 1. Cada elemento se compone de partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.

2. Todos los átomos de un elemento dado son idénticos; los átomos de elementos diferentes son diferentes y tienen propiedades distintas (incluida la masa). 3. Los átomos de un elemento no se transforman en átomos diferentes durante las reacciones químicas; los átomos no se crean ni se destruyes en las reacciones químicas. 4. Cuando se combinan los átomos de más de un elemento se forman compuestos; un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo de la misma clase de átomos. Según la teoría atómica de Dalton, “Los átomos son los bloques de construcción básicos de la materia; son las partículas más pequeñas de un elemento que conservan la identidad química del elemento.

Ley de las proporciones definidas. “En un compuesto dado los números relativos y las clases de los átomos son constantes”. Esta ley es la base del postulado 4 de Dalton. Ley de la conservación de la materia. “La masa total de los materiales presentes después de una reacción química es la misma que la masa total antes de la reacción”. Esta ley es la base del postulado 3. Ley de las proporciones múltiples. “”Si dos elementos A y B se combinan para formar más de un compuesto, las masas de B que se pueden combinar con una masa dada de A, están en proporciones de números enteros pequeños”.

DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA ATÓMICA El átomo se compone de piezas aún más pequeñas llamadas partículas subatómicas. El átomo se compone parcialmente de partículas con carga eléctrica, algunas con carga positiva (+) y algunas con carga negativa (–). Las partículas con la misma carga se repelen, mientras que partículas con carga distinta se atraen.

RAYOS CATÓDICOS Y ELECTRONES El descubrimiento del electrón y el estudio detallado de su comportamiento fueron posibles gracias a la invención del tubo de rayos catódicos. Una placa con carga positiva, el ánodo, atrae las partículas con carga negativa, los electrones, el haz de electrones atrae lo que los primeros investigadores llamaron rayo catódico. Este rayo viaja hasta incidir en la superficie interna del extremo opuesto del tubo. La superficie está recubierta de un material fluorescente, como sulfuro de zinc, de manera que se observa una intensa fluorescencia o emisión de luz cuando la superficie es bombardeada por los electrones.

Tubo de rayos catódicos

2.2

En algunos experimentos al tubo de rayos catódicos se le agregaron dos placas cargadas eléctricamente y un electroimán. Cuando el campo magnético se encuentra activado y el campo eléctrico se encuentra desactivado, el rayo catódico incide en el punto A. Cuando sólo el campo eléctrico está activado, el rayo se desvía al punto C. Cuando ambos campos están desactivados o cuando ambos están activados, pero se equilibran de tal forma que su influencia se cancela mutuamente, el rayo sigue una trayectoria rectilínea hacia el punto B.

Tal comportamiento es congruente con el hecho de que los electrones poseen carga negativa. La teoría electromagnética establece que un cuerpo cargado en movimiento se comporta como un imán y puede interactuar con los campos eléctrico y magnético a través de los cuales pasa.

Dado que el rayo catódico es atraído por la placa con cargas positivas y repelido por la placa con cargas negativas, es claro que debe estar formado por cargas negativas.

J. J. Thomson, utilizó un tubo de rayos catódicos y su conocimiento acerca de los efectos de las fuerzas eléctrica y magnética en una partícula cargada negativamente para obtener la relación entra la carga eléctrica y la masa de un electrón. Thomson encontró que la relación es:

c arg a 8C  1,76 10 g masa

En 1909 Robert Millikan logró medir la carga de un electrón realizando lo que se conoce como el “experimento de la gota de aceite de Millikan” Utilizando el aparato que se muestra en la figura, Millikan probó que todas las cargas eléctricas son múltiplos de una unidad elemental definida, cuyo valor es 1,6 x 10-19C. En el experimento se llevan gotas esféricas de aceite desde el atomizador hacia la cámara de observación. Allí se cargan al chocar con los iones gaseosos producidos por la acción del radio o los rayos X sobre el aire. Se reconoce una gota de aceite cargada por su respuesta a un campo eléctrico y por su movimiento observado a través del microscopio. Cuando el campo eléctrico es cero, la gota está sometida solamente a la fuerza de gravedad, y cae, debido a la densidad del aire, la gota no acelera continuamente, sino que alcanza una velocidad constante.

Así, se puede determinar tanto la carga como la masa del electrón:

C arg a del electrón 1,6 10

19

C

1,6 1019 C  28 Masa del electrón   9,10 10 g 8C 1,76 10 g

RADIACTIVIDAD Fue descubierta por Henri Berquerel en 1896, quien, estudiando pechblenda (un mineral de uranio), descubrió que emitía radiación de alta energía. Esta emisión espontánea de radiación se denomina radiactividad. Los estudios posteriores, llevados a cabo por Rutherford revelaron tres tipos de radiación: ,  y . Radiación , consta de partículas  (electrones de alta velocidad). Radiación , consta de partículas  (núcleos de helio) Radiación , es de alta energía, similar a los rayos X; no consta de partículas y no posee carga.

(Compuesto de uranio)

EL ÁTOMO NUCLEAR Según Thomson y debido a que los electrones constituyen una fracción muy pequeña de la masa de un átomo, propuso que el átomo consistía en una esfera uniforme de materia positiva en la que estaban incrustados los electrones. Se le llamó el modelo atómico del “pudín de pasas”

MODELO DE RUTHERFORD Al estudiar los ángulos con los que las partículas  se dispersaban al pasar a través de una laminilla de oro muy delgada, descubrió que casi todas las partículas  atravesaban directamente la laminilla, sin desviarse. Un porcentaje pequeño mostraba una desviación ligera. Además, se observaron desviaciones con grandes ángulos e incluso algunas partículas rebotaban en la dirección en la que habían venido. Rutherford postuló que la mayor parte de la masa del átomo, y toda su carga positiva, residía en una región muy pequeña, extremadamente densa, a la que llamó núcleo. La mayor parte del volumen total del átomo era espacio vacío, en el que los electrones se movían alrededor del núcleo.

La mayor parte de las partículas  atraviesan directamente la laminilla porque no se topan con el diminuto núcleo; pasan por el espacio vacío del átomo. Ocasionalmente, una partícula  se acerca mucho al núcleo de los átomos de oro. La repulsión entre el núcleo del átomo de oro altamente cargado y la partícula  es lo bastante fuerte como para desviar la partícula , menos masiva. Estudios posteriores condujeron al descubrimiento de las partículas tanto positivas (protones) como neutras (neutrones) en el núcleo.

VISIÓN MODERNA DE LA ESTRUCTURA ATÓMICA Sólo tres de las partículas subatómicas afectan el comportamiento químico: protón, neutrón y electrón. Los átomos tienen números iguales de protones y de electrones, así que no poseen carga eléctrica neta. Los protones y los neutrones residen juntos en el núcleo del átomo que es extremadamente pequeño. Prácticamente todo el volumen de un átomo es el espacio en el que residen los electrones. Los electrones son atraídos hacia los protones del núcleo por la fuerza que existe entre partículas con carga eléctrica opuesta. Las masas de los átomos son extremadamente pequeñas. Por ello se utiliza la unidad de masa atómica (uma), 1 uma = 1,66 x 10-24g.

Las masas del protón y del neutrón son casi iguales, y ambas son mucho mayores que la del electrón. Los átomos son extremadamente pequeños, en su mayor parte tienen diámetros de entre 1 x 10-10m a 5 x 10-10m, es decir entre 100 y 500 pm ó de 1 a 5 Å (1 Å = 10-10m). Los diámetros de los núcleos atómicos son del orden de 10-4Å

ISÓTOPOS, NÚMEROS ATÓMICOS Y NÚMEROS DE MASA

“Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo” ISÓTOPO. Son los átomos de un elemento dado que difieren en el número de neutrones, y por lo tanto en su masa. NUCLIDO. Átomo de un isótopo especifico

NÚMERO ATÓMICO. Número de protones en el núcleo de un átomo. NÚMERO DE MASA. Número de protones más neutrones en el núcleo de un átomo.

NÚMERO DE MASA

A Z

X

NÚMERO ATÓMICO

SÍMBOLO DEL ELEMENTO

1 1H

2 1H

3 1H

(D)

ISÓTOPOS

235 92

U

238 92

U

(T)

PESOS ATÓMICOS Unidad de masa atómica (uma): se define asignando una masa de exactamente 12 uma al isótopo 12C del carbono. 1 uma = 1,66054 x 10-24 g 1 g = 6,02214 x 1023 uma

MASA ATÓMICA PROMEDIO. Se puede determinar la masa atómica promedio de un elemento a partir de las masas de sus diversos isótopos y de sus abundancias relativas. La masa atómica promedio de cada elemento (expresada en uma) también se denomina peso atómico.

Calcular la masa atómica del Silicio considerando que se encuentra en la naturaleza formado por tres isótopos que tienen las siguientes masas y % de abundancia. Masa atómica % abundancia 27.977 92.23 28.977 4.67 29.974 3.10

LA TABLA PERIÓDICA Se disponen los elementos en orden de número atómico creciente, de ésta manera se puede observar que sus propiedades químicas y físicas exhiben un patrón repetitivo, o periódico. Colocando en columnas verticales los elementos que tienen propiedades similares se obtiene la tabla periódica. En ella para cada elemento de la tabla se da el número atómico, el símbolo atómico y el peso atómico (masa atómica promedio. Número atómico 19

K 39,0983

Símbolo atómico

Peso atómico

Las columnas de la tabla periódica se conocen como grupo. La designación de los grupos es un tanto arbitraria, y se usan comúnmente tres esquemas distintos de designación. Por ejemplo en Estados Unidos los grupos se designan con números del 1 al 8, seguidos de las letras A o B. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) ha propuesto una convención que numera los grupos desde el 1 al 18, sin designaciones A o B.

CONVENCIÓN NORTEAMERICANA

CONVENCIÓN IUPAC

Los elementos que pertenecen al mismo grupo suelen exhibir ciertas similitudes en sus propiedades físicas y químicas. Todos los elementos del lado izquierdo y la parte media de la tabla (con excepción del hidrógeno) son elementos metálicos, o metales. La mayor parte de los elementos de la tabla periódica son metales. Los metales están separados de los elementos no metálicos por una línea diagonal escalonada que va del Boro (B) al Astato (At). El hidrógeno es un no metal. Muchos de los elementos que están junto a la línea que separa los metales de los no metales, como el Antimonio (Sb), tienen propiedades intermedias entre las de los metales y los no metales, generalmente se les denomina metaloides.

MOLÉCULAS Y COMPUESTOS MOLECULARES Un átomo es la muestra representativa más pequeña de un elemento. Una molécula es un conjunto de dos o más átomos estrechamente unidos. Muchos elementos se encuentran en la naturaleza en forma molecular, la representación gráfica de una molécula es la fórmula química. Los elementos que están formados por moléculas se denominan compuestos moleculares, y contienen más de un tipo de átomos.

H2

H2O

NH3

CH4

MOL. Es la unidad SI para la cantidad de sustancia. Es la cantidad de sustancia que contiene el mismo número de átomos que existen en 12 g de carbono – 12. A este número se le llama número de Avogadro (6,021023) Un mol de una sustancia representa un número fijo de entidades químicas y tiene una masa fija Así  1 mol de átomos de Fe contiene 6,021023 átomos de Fe  1 mol de moléculas de O2 contiene 6,021023 moléculas de O2 y 1,2041024 átomos de O (el doble)  1 mol de moléculas de H2O contiene 6,021023 moléculas de H2O, 6,021023 átomos de O y 1,2041024 átomos de H.  1 mol de iones NO3- contiene 6,021023 iones NO3-, 6,021023 átomos de N y 1,8061024 átomos de O

Masa atómica. Masa de un átomo, se mide en uma. Ej: masa atómica del Fe = 55,85 uma Masa molecular. Masa de una molécula, se mide en uma. Ej: masa molecular de H2O = 18 una Masa molar. Masa de 1 mol de partículas, se mide en gramos Ej: masa molar de Fe = 55,85 g masa molar de H2O = 18 g

El cloranfenicol, C11N2O5H13Cl2, es un antibiótico muy usado. Si una persona ingiere 120mg de este medicamento, calcule: a) Masa molar b) ¿Cuántos moles de fármaco consumió? c) ¿Cuántas moléculas de fármaco consumió? d) ¿Cuántos átomos de carbono consumió?

La hemoglobina, molécula encargada del transporte de oxígeno en la sangre posee la fórmula molecular: C2952H4664N812O832S8Fe4. Calcule: a) La masa molar de la hemoglobina b) Los moles de hemoglobina que hay en 1000mg de compuesto c) Las moléculas de hemoglobina que hay en 1000mg de compuesto d) Los átomos de N que hay en 1000mg de compuesto e) ¿Cuántos átomos de S deben existir en una muestra que contiene 3,012 x 1010 átomos de Fe?

FÓRMULAS EMPÍRICA Y MOLECULARES

FÓRMULAS MOLECULARES. Son las fórmulas químicas que indican los números y tipos de átomos que forman una molécula. FÓRMULAS EMPÍRICAS. Son las fórmulas químicas que sólo indican el número relativo de átomos de cada tipo en una molécula. Los subíndices de una fórmula empírica siempre son las proporciones enteras más pequeñas. Así, para la glucosa: Fórmula molecular: C6H12O6 Fórmula empírica: CH2O

REPRESENTACIÓN DE MOLÉCULAS FÓRMULA ESTRUCTURAL. Muestra cuáles átomos están unidos a cuáles dentro de la molécula. Los átomos se representan con sus símbolos químicos, y se usan líneas para representar los enlaces que mantienen unidos a los átomos. DIBUJO EN PERSPECTIVA. Da una idea de la forma tridimensional de la molécula. MODELO DE BOLAS Y VARILLAS. Muestra los átomos como esferas y los enlaces como varillas. Representan con exactitud los ángulos con que los átomos se unen dentro de la molécula.

MODELOS ESPACIALES. Dan una idea más realista de cómo se vería una molécula si se aumentara su escala.

IONES Y COMPUESTOS IÓNICOS El núcleo de un átomo no cambia en los procesos químicos ordinarios, pero los átomos pueden adquirir o perder electrones fácilmente. Si a un átomo neutro se le quitan o agregan electrones , se forma una partícula cargada llamada ion. Un ion con carga positiva se denomina catión. Un ion con carga negativa se denomina anión.



 3

2 3

Cl , NO , CO



2

Na , Ca , Fe

3

Fórmula de compuestos iónicos 2 x +3 = +6

3 x -2 = -6 Al2O3

Al3+

O2-

1 x +2 = +2

2 x -1 = -2 CaBr2

Ca2+

Br-

1 x +2 = +2

1 x -2 = -2 Na2CO3

Na+

CO32-