TEMA 4 – LA ESTRUCTURA
DE LA MATERIA. EL ÁTOMO.
1- PRIMERAS CONCEPCIONES DEL ÁTOMO 2- TEORÍAS ATÓMICAS
· Teoría atómica de Dalton · Modelo atómico de Thomson · Modelo atómico de Rutherford · Modelo atómico de Bohr
· El modelo actual:llamado mecánico-cuántico 3- ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
4- IDENTIFICACIÓN DE ÁTOMOS 5- IONES
6. ISÓTOPOS
6.1- MASA ATÓMICA.
1- PRIMERAS CONCEPCIONES DEL ÁTOMO
La primera referencia al átomo como límite indivisible de la materia la encontramos en Grecia con Leucipo. Pero el que realmente desarrolló esta idea fue Demócrito, quien basó gran parte de su obra en la convicción de que cualquier sustancia podía dividirse hasta un límite, siendo imposible dividir más allá. De ahí el origen de la palabra átomo ( – sin partes).
Demócrito nació en el siglo V a.C en Abdera, y desde que era bien joven muchos le tomaron como un loco por sus ideas poco comunes. Estaba obsesionado con la idea de que dividiendo una gota de agua cada vez en partes más pequeñas se obtendrían cada vez gotas más pequeñas. ¿Pero qué pasaría si llegase un punto en el que fuera imposible continuar con la división?
Tomando el pensamiento de su maestro Leucipo, Demócrito supuso la existencia del átomo como parte indivisible de la materia, y además sentenció que existían distintos tipos de átomos que al combinarse de formas y con ordenaciones distintas formaban las distintas sustancias existentes. También supuso que cuando la madera ardía o el hierro se oxidaba, las partículas que formaban tanto la madera como el hierro se reordenaban para convertirse en cenizas y herrumbre respectivamente
2 - TEORÍAS ATÓMICAS Teoría atómica de Dalton En 1808, John Dalton propone una teoría atómica para explicar las leyes ponderales (leyes que se refieren al peso de las sustancias). Consta de los siguientes postulados:
1. La materia está formada por átomos, que son partículas es independientes, esféricas, macizas, inalterables e indivisibles.
2. Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y propiedades. 3. Los átomos de distintos elementos son diferentes en masa y propiedades. 4. Los compuestos se forman por la unión de átomos de los elementos en una relación de números enteros sencillos.
· Modelo atómico de Thomson El descubrimiento de las partículas elementales termina con el concepto de átomo como partícula indivisible. El electrón fue la primera partícula subatómica en descubrirse. En 1898, J.J. Thomson propone su modelo para explicar la existencia de los electrones. Este modelo considera que el átomo es una esfera de carga positiva que tiene incrustadas tantas pequeñas partículas de carga negativa (los electrones) como sean necesarias para neutralizar la
carga. Positiva. Por su forma, este modelo recibió el nombre de pastel de pasas.
Posteriormente se descubrió el protón (Goldstein) y más tarde el neutrón (Chadwick) (1932).
· Modelo atómico de Rutherford En 1911, Ernest Rutherford propone un experimento que consiste en bombardear una lamina muy delgada de oro con partículas α.
El resultado del experimento fue el siguiente: casi toda la radiación atravesaba el pan de oro en línea recta; una pequeña parte de la radiación se desviaba; incluso unas pocas rebotaban.
Para explicar estos resultados supuso lo siguiente:
•
La materia está prácticamente hueca. Y está constituida por una parte central muy pequeña, con toda la carga positiva,y casi toda la masa material, a la que denominó núcleo.•
Por otra parte, los electrones se mueven describiendo órbitas en torno al núcleo, ocupando un espacio relativamente grande. A esta zona la denominó corteza.El átomo se puede considerar como un pequeño sistema planetario, en el que los electrones (-) giran alrededor del núcleo (+)
· Modelo atómico de Bohr
El físico danés Niels Bohr realizó una serie de estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran alrededor del núcleo describiendo sólo determinadas órbitas circulares.
En el átomo, los electrones se organizan en capas y, en cada capa tendrán una cierta energía, llenando siempre las capas inferiores y después las superiores.
En la siguiente escena puede observarse la representación de algunos átomos de los elementos de la tabla periódica con este modelo:
La distribución de los electrones en las capas se denomina configuración electrónica y se realiza de la siguiente manera:
•
La 1ª capa puede contener, como máximo, 2 electrones.•
La 2ª capa puede contener, como máximo, 8 electrones. Comienza a llenarse una vez que la 1ª ya está completa.•
La 3ª capa puede contener, como máximo, 18 electrones. Comienza a llenarse una vez que la 2ª capa ya está completa.Se representa por números separados por comas y entre paréntesis. Por ejemplo, el átomo de sodio tiene 11 electrones; por tanto, 2 llenan la 1ª capa, 8 quedan en la 2ª capa y el último electrón quedaría en la 3ª capa. La representación es: (2,8,1).
PRÁCTICA
Más adelante ampliaremos el concepto de configuración electrónica, de momento, dibujemos algunos átomos y escribamos también cuál sería su configuración:
Átomo de sodio (11 protones y 12 neutrones) ___ Átomo de carbono (6 protones y 6 neutrones)
· El modelo actual:llamado mecánico-cuántico
Aquí se sustituye la idea de que el electrón se sitúa en determinadas capas de energía por la de orbital: zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima.
3- ESTRUCTURA DEL ÁTOMO
Como resultado de todas las investigaciones, el átomo está constituido como sigue:
•
Una zona central o núcleo donde se encuentra el total de la carga positiva (protones), y la mayor parte de la masa del átomo (protones + neutrones). El número de protones es fijo para todos los átomos de un mismo elemento. El número de neutrones puede variar.•
Una zona externa o corteza, donde están los electrones, que giran al rededor del núcleo. Hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.EJERCICIO 1- EVOLUCIÓN DEL MODELO ATÓMICO: Redacta cómo ha sido la evolución del modelo atómico, basándote en lo estudiado y en los dibujos que se muestran.
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EJERCICIO 2- Completa el esquema sobre la estructura atómica, las partículas subatómicas y sus características y descubridores:
EJERCICIO 3- En la siguiente tabla se muestran las características de las partículas subatómicas, observa sus valores y contesta a las preguntas siguientes:
a) ¿Cuántas veces es más grande la masa del protón que la del electrón? b) Un átomo de oxígeno tiene 8 protones y 9 neutrones.
1. ¿Cuántas partículas tiene en el núcleo? 2. ¿Cuántos electrones tiene en la corteza? 3. Dibuja este átomo según el modelo de Bohr
4- IDENTIFICACIÓN DE ÁTOMOS
La identidad de un átomo y sus propiedades vienen dadas por el número de partículas que contiene. Lo que distingue a unos elementos químicos de otros es el número de protones que tienen sus átomos en el núcleo. Este número se llama número atómico y se representa con la letra Z. Se coloca como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento correspondiente.
El número másico nos indica el número total de partículas que hay en el núcleo, es decir, la suma de protones y neutrones. Se representa con la letra A y se sitúa como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento. Representa la masa del átomo medida en uma, ya que la de los electrones es tan pequeña que puede despreciarse.
El símbolo tiene número atómico Z = 1. Por tanto, quiere decir que ese átomo tiene 1 protón en el núcleo. Es Hidrógeno.
El símbolo tiene número másico A = 2. Por tanto, quiere decir que ese átomo tiene 2 partículas en el núcleo, entre protones y neutrones.
Como Z = 1, tiene 1 protón y A – Z = 2 - 1 = 1 neutrón.
El número atómico nos indica también el número de electrones que tiene el átomo en su corteza (si es neutro). En este caso, en la parte superior derecha no aparece ninguna carga, por ello es neutro y tiene el mismo número de protones que de electrones: 1 electrón.
TABLA PARTÍCULAS SUBATÓMICAS EJERCICIO 4 - Completa la siguiente tabla:
Elemento Símbolo Representación Z A Nº Elec Nº Protones Nº Neutrones
sodio Na 2311 Na 11 23 potasio K 19 39 magnesio Mg 12 24 litio Li 3 7 oxigeno O 16 8 carbono C 12 6 nitrógeno N 14 7 helio He 4 2 hidrógeno H 1 1 neón Ne 20 10 manganeso Mn 55 25 hierro Fe 56 26 aluminio Al 26 13 plata Ag 47 61 platino Pt 78 117 silicio Si 14 28 cloro Cl 35 17 berilio Be 9 4 flúor F 19 9 fósforo P 31 15 Bario Ba 137 56 calcio Ca 20 40 argón Ar 18 40 cobre Cu 63 29 5- IONES
Un catión es un átomo con carga positiva. Se origina por pérdida de electrones y se indica con un superíndice a la derecha.
Un anión es un átomo con carga negativa. Se origina por ganancia de electrones y se indica con un superíndice a la derecha.
Por ejemplo, el átomo de Sodio (Na) (Z = 11) en estado neutro tendrá 11 protones y 11 electrones. Cuando reacciona con otro elemento suele perder 1 electrón con lo que queda con 11 protones y 10 electrones, es decir, con una carga neta positiva. Se habrá formado el catión Sodio, que se representa normalmente como Na+.Vemos, pues, que únicamente el número de protones (número atómico) es invariable en un elemento y es el responsable de su identificación.
EJERCICIO 5 - Completa la siguiente tabla:
ión carga Símbolo Z A Nº Elec Nº Protones Nº Neutrones
Na+ 11 23 K+ 19 39 Mg+2 12 24 Li+ 3 7 O-2 16 8 N-3 14 7 H 1 0 1 Mn 55 22 25 Fe 56 23 26 Al 26 10 13 Ag 46 47 61 Si+4 14 28 Cl 35 18 17 Be+2 9 4 F 19 10 9 P-3 31 15 Ba 137 54 56 Ca+2 20 40 Cu 63 28 29
6. ISÓTOPOS
Después de descubrirse la radiactividad se encontraron átomos que, aún teniendo el mismo número atómico que átomos ya conocidos (por lo que debían tratarse del mismo elemento), tenían, sin embargo, distinto número másico y, por lo tanto, distinta masa. Es decir, no todos los átomos de un mismo elemento son iguales. Existen átomos del mismo elemento que contienen distinto número de neutrones. A estos átomos se les llama isótopos. Posteriormente, se descubrió que casi todos los elementos tenían más de un isótopo.
Por ejemplo, la mayor parte de los átomos del Carbono (C) tienen una masa atómica de 12 UMAs, es decir, tienen en su núcleo 6 protones y 6 neutrones. Sin embargo, existen átomos de Carbono que tienen 6 protones (por eso se siguen llamando Carbono) y 8 neutrones en el núcleo. En este caso, este átomo es un isótopo del Carbono que se denomina Carbono-14 y se representa por 14C, que es radiactivo. El % de este isótopo en los materiales sirve para saber la antigüedad de éstos con bastante precisión.
“ Isótopos ”
• Los isótopos de un mismo elemento tienen el mismo número atómico (Z), pero distinto número de neutrones (N) y, por lo tanto, distinto número másico (A).
La masa atómica que viene en la Tabla Periódica no es sino una media ponderada (teniendo en cuenta los porcentajes) de las masas de los isótopos que existen de dicho elemento.
Ejemplo:
De Hidrógeno existen tres isótopos cuyas números másicos son 1, 2 y 3, respectivamente. ¿Cuantos protones y neutrones tiene cada uno de dichos isótopos?
Si son isótopos de Hidrógeno, todos ellos tendrán Z = 1, es decir, todos tendrán 1 protón. En cuanto al número de neutrones (N):
El isótopo 1 (el que tiene A=1) es el que existe en la naturaleza en más del 99 %. Isótopo1: N = A – Z = 1–1= 0 neutrones. Isótopo2: N = A – Z = 2–1= 1neutrones. Isótopo3: N = A – Z = 3 –1= 2 neutrones.
6.1- MASA ATÓMICA.
Si de cada elemento sólo existiera un isótopo, las masas atómicas de los mismos serían sus respectivos números másicos expresadas en UMAs, y por lo tanto, también serían números enteros como ocurre con el número atómico. Sin embargo, al existir varios isótopos de cada elemento y al estar todos mezclados y en cantidades desiguales, la masa atómica que se puede medir no es más que una media ponderada (teniendo en cuenta la proporción en que se encuentra cada uno) de las masas de los distintos isótopos.
Es muy común utilizar masas atómicas relativas, que indica “las veces que la masa atómica del elemento es superior a la UMA” . Viene determinado por el mismo número pero sin unidades. Así, la masa atómica relativa del cloro sería 35,45.
Ejemplo:
¿Cual será la masa atómica del Cloro (z = 17 ) si sabemos que existen de él dos isótopos con 18 y 20 neutrones y que se encuentran en una proporción de un 77,5 % y un 23,5 % respectivamente?
EJERCICIO 6- El magnesio tiene 3 isótopos estables: el Mg-24 mayoritario con un 78,6 %, el Mg-25, con un 10,1 %, y el Mg-26, con un 11,3 %, ¿Cuál será su masa atómica relativa?
7- CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Ya sabemos que los electrones forman parte de la corteza del átomo y que giran alrededor del núcleo formando capas con un número máximo de electrones por cada capa. Pues bien, el número máximo de electrones que puede contener una capa es de 2n2, siendo “n” el número de la capa. Así, en la primera capa puede haber hasta 2 electrones, en la segunda hasta 8, en la tercera hasta 18...
Sin embargo, la distribución de los electrones por capas no suele ser tan simple. Existen también subcapas dentro de las capas que se entremezclan entre unos niveles y otros, lo que obliga a seguir unas reglas a la hora de situar los electrones.
En la primera capa sólo existe un nivel (“s”) en el que caben dos electrones. La segunda capa contiene 2 niveles: uno “s” similar al de la primera capa (con cabida para 2 electrones) y uno “p” en el que caben 6 electrones, es decir, en total 8 electrones tal y como habíamos adelantado. En la tercera hay un nivel “s” (2 electrones), uno “p” (6 electrones) y uno “d” (10 electrones): en total 18 electrones. Y así sucesivamente, la cuarta capa tiene además un subnivel “f” (14 electrones)... Para recordar el orden de llenado de los orbitales se aplica el
diagrama de Möeller que puedes ver en la imagen de la derecha. Debes seguir el orden de las flechas para ir añadiendo electrones.
Para representar la configuración electrónica de un átomo se escriben los nombres de los orbitales (1s, 2p, etc.) y se coloca como superíndice el número de electrones que ocupan ese orbital o ese grupo de orbitales.
● El litio tiene número atómico Z = 3, esto quiere decir que tiene 3 electrones en su corteza. Siguiendo el diagrama de Möeller nos encontramos el orbital 1s, en él caben 2 electrones: 1s2. Nos queda por situar 1 electrón que irá al siguiente orbital: 2s1. Por tanto, la configuración electrónica del litio es: 1s22s1. ● El oxígeno tiene número atómico Z = 8, esto quiere decir
que tiene 8 electrones en su corteza. Siguiendo el diagrama de Möeller nos encontramos el orbital 1s, en él caben 2 electrones: 1s2. Nos quedan 6 electrones por situar: 2 entrarán en el orbital 2s:
EJERCICIO 7- Escribe la configuración electrónica de cada uno de los elementos que aparecen en la tabla del ejercicio 4. Usa para ello los valores del número de electrones que tienes en la tabla. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________
