TEMA 2:

TEMA 2:

Estructura atómica de la materia.

ESQUEMA DE LA UNIDAD

1.- La concepción del átomo.

1.1.- Teorías de los cuatro elementos y del atomismo.

1.2.- Teoría atómica de Dalton.

2.- La materia no es continua.

2.1.- Naturaleza eléctrica de la materia.

2.2.- Partículas subatómicas.

3.- Estructura de los átomos.

3.1.- Modelo atómico de Thomson.

3.2.- Radiactividad.

3.3.- Modelo atómico de Rutherford.

4.- Caracterización de los átomos.

4.1.- Isótopos.

5.- Masa atómica.

5.1.- Masa de un elemento.

6.- Iniciación al átomo de Bohr.

1.- LA CONCEPCIÓN DEL ÁTOMO

El hombre lleva mucho tiempo preguntándose de qué está hecho el universo. De los siglos V y IV a.C. destacan dos ideas que expusieron grandes filósofos. Estas ideas son: la teoría de los cuatro elementos y la teoría del atomismo.

1.1.- Teorías de los cuatro elementos y del atomismo

 Teoría de los cuatro elementos

Los grandes defensores de esta teoría fueron los filósofos griegos Empédocles de Agrigento y Aristóteles.

Empédocles de Agrigento decía que el universo estaba formado por cuatro elementos: agua,

aire, fuego y tierra.

Aristóteles añadió que cada uno de esos cuatro elementos era el resultado de la unión de dos propiedades:

Tierra = Frío + Sequedad Agua = Frío + Humedad Fuego = Calor + Sequedad Aire = Calor + Humedad

Además Aristóteles añadió un quinto elemento en la lista, el éter, del que estaban formados los cielos.

 Teoría del atomismo

Los grandes defensores de esta teoría fueron los filósofos griegos Leucipo de Mileto y su discípulo Demócrito.

Estos filósofos decían que al dividir sucesivamente en partículas cada vez más pequeñas cada uno de los cuatro elementos anteriores (tierra, fuego, aire, agua), llegaría un momento en el se obtendría una partícula tan pequeña que no se podría dividir más. A esta partícula Demócrito la llamó átomo (que en griego significa "indivisible").

Observación:

Aunque en la actualidad se sabe que la teoría de los cuatro elementos no es cierta, fue, de las dos teorías anteriores, la que la comunidad científica se estuvo creyendo durante muchos siglos.

1.2.- Teoría atómica de Dalton

El químico inglés John Dalton, en el siglo XIX, fue uno de los científicos que recuperó la teoría del atomismo y desarrolló su propia teoría conocida como la teoría atómico-molecular de Dalton.

Esta teoría se resume en los siguientes postulados:

 La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles e inalterables llamadas átomos.

 Todos los átomos de un mismo tienen la misma masa y mismas propiedades físicas y químicas.

 Los átomos de distintos elementos tienen diferente masa y propiedades.

 Los compuestos se forman cuando se unen entre sí dos o más átomos del mismo o de

diferentes elementos.

2.- LA MATERIA NO ES CONTINUA

2.1.- Naturaleza eléctrica de la materia

La palabra electricidad procede de la palabra griega elektron que significa ámbar. El ámbar es una sustancia de origen vegetal que producen algunos árboles y plantas. Aunque podemos encontrarlo en varios colores diferentes, el más característico es el amarillo anaranjado.

La electricidad es una propiedad que posee la materia observada por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto al frotar con piel un trozo de ámbar, tras lo cual pudo comprobar que esa sustancia era capaz de atraer trocitos de pluma o de materiales ligeros. Se pensó entonces que el ámbar era el único material que poseía esta propiedad, aunque posteriormente se demostró que es una propiedad que posee toda la materia.

Actualmente se sabe que existen dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa. Además las cargas del mismo signo se repelen y las de distinto signo se atraen.

Cuando la materia tiene la misma cantidad de cargas positivas que de cargas negativas se dice que es eléctricamente neutra.

2.2.- Partículas subatómicas

Una vez aceptada la idea de que la materia está formada por átomos, los científicos intentan relacionar la electricidad con los átomos, llegando a la conclusión de que los átomos están formados por partículas más simples, partículas subatómicas, donde están las cargas eléctricas.

Estas partículas se llaman:

 Electrones: descubiertos por J. J. Thomson y que tienen carga eléctrica negativa.

 Protones: descubiertos por Eugen Goldstein y con carga eléctrica positiva.

 Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga

eléctrica pero con masa.

3.- ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS

A lo largo de la historia los científicos han ido describiendo el átomo de distintas maneras, y aunque algunas de las descripciones eran erróneas, proporcionaban información valiosa que permitían ir acercándose cada vez más a la estructura actual de los átomos.

3.1.- Modelo atómico de Thomson

J. J. Thomson describió el átomo como una esfera maciza de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones. Debido a la apariencia de este modelo, se le llamó pudin de pasas.

 Concepto de ion

Un ion es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Al ion que se obtiene añadiéndole electrones se le llama ion negativo o anión, y al ion que se obtiene quitando electrones se le llama ion positivo o catión.

Ejemplo: Litio (Li, Z (Li) = 3)

Li Li ^ (pierde un electrón) Li ^{2 } (gana dos electrones)

3.2.- Radiactividad

La radiactividad es otra propiedad de la materia que fue descubierta de forma casual por el físico francés Becquerel a finales del siglo XIX. Becquerel envolvió unas placas fotográficas en un papel negro que no dejaba pasar la luz, y dejó sobre las placas un mineral llamado pechblenda. Cuando se dio cuenta de que las placas fotográficas se habían estropeado, pensó que el mineral debía emitir algún tipo de radiación que atravesaba el papel protector y estropeaba las placas.

El matrimonio formado por los físicos Pierre Curie (francés) y Marie Curie (polaca) se interesó por el descubrimiento de Becquerel e investigaron hasta que lograron descubrir que lo que emitía la radiación que estropeaba las placas fotográficas no era todo el mineral,

sino un elemento que formaba parte del mismo: el uranio. Acababan de

descubrir la radiactividad. Al seguir investigando descubrieron otros dos

elementos químicos que emitían radiaciones similares a las del uranio, y los

denominaron radio (del latín “radius” que significa “rayo”) y polonio (en

honor a la nacionalidad de Marie Curie).

Las radiaciones que emiten los elementos radiactivos pueden ser de tres tipos:

 Radiación o rayos α

Son rayos con carga positiva. Recorren una distancia muy pequeña a través del aire y tienen poco poder de penetración (pueden ser frenados por una simple hoja de papel o la piel del cuerpo humano). Sin embrago, si se inhala, ingiere o entra de algún modo en el organismo algún elemento que emite este tipo de rayos, puede ser mortal.

 Radiación o rayos β

Son rayos que tienen carga negativa. Pueden recorrer a través del aire una distancia de hasta 1 o 2 metros. Son detenidos por unos pocos centímetros de madera o una hoja delgada de metal. Al igual que las partículas alfa, los elementos que emiten este tipo de rayos pueden producir graves daños dentro del organismo.

 Radiación o rayos γ

Estos rayos son ondas electromagnéticas emitidas por el átomo.

Pueden recorrer cientos de metros a través del aire y su poder de penetración es muy alto, atraviesan fácilmente la piel, por lo que la exposición a este tipo de rayos puede causar graves daños internos.

Se necesitaría un bloque de hormigón de 1 m de grosor para detenerlos.

3.3.- Modelo atómico de Rutherford

Ernest Rutherford realizó un famoso experimento que le llevaría a elaborar su modelo atómico y a su vez sirvió para invalidar el modelo de Thomson.

Rutherford colocó una fina lámina de oro rodeada por una pantalla fosforescente y situó frente a la lámina un bloque de plomo con un orificio y en cuyo interior colocó uranio, un material radiactivo que emite espontáneamente rayos alfa.

Los rayos alfa no se ven, pero emiten un destello luminoso al llegar a la pantalla fosforescente, lo que le permitió observar lo siguiente:

 La mayoría de los rayos alfa atravesaban la lámina sin desviarse (por lo que Rutherford dedujo que el átomo debía ser prácticamente hueco).

 Algunos rayos alfa atravesaban la lámina pero se desviaban ligeramente (por lo que Rutherford pensó que en átomo debía haber cargas positivas).

 Algunos de los rayos alfa salían rebotados al llegar a la lámina (por lo que Rutherford dedujo

que las partículas debían chocar con algo para salir rebotadas).

Según Rutherford en el átomo se distinguen dos partes:

 El núcleo: zona interna del átomo donde se concentraría casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva; es decir, los protones.

 La corteza: zona externa del átomo situada a gran distancia del núcleo, donde estarían los electrones girando a gran velocidad alrededor del núcleo y describiendo órbitas circulares.

El modelo atómico de Rutherford se parece a un sistema planetario en el que el núcleo del átomo sería el Sol y los electrones los planetas. A este modelo se le llamó modelo planetario.

4.- CARACTERIZACIÓN DE LOS ÁTOMOS

 Número atómico

Todos los átomos del mismo elemento tienen siempre el mismo número de protones. Si se cambia el número de protones de un elemento, también cambia el elemento.

Al número de protones que tiene un elemento se le llama número atómico y se representa con la letra Z.

Ejemplo: busca en la tabla periódica el número atómico del sodio.

Z (Na) = 11 (esto significa que todos los átomos de sodio tiene 11 protones).

 Número másico

A la suma del número de protones más el número de neutrones que hay en un átomo se le llama número másico, y se representa con la letra A. Así podemos escribir: A = Z + N, donde “A” es el número másico, “Z” el número atómico y “N” el número de neutrones.

Ejemplo: consulta la tabla periódica y contesta las siguientes preguntas

a) ¿Cuál es el número atómico del oro? Z (Au) = 79.

b) ¿Cuántos protones tiene un átomo cualquiera de oro? Setenta y nueve, ya que el número atómico indica el número de protones que tiene cualquier átomo del elemento en cuestión, en este caso el oro.

c) ¿Cuántos electrones tiene un átomo neutro de oro? Setenta y nueve, ya que en los

átomos neutros el número de electrones coincide con el número de protones.

Notación: representaremos a los átomos utilizando la siguiente expresión _Z ^A X , donde X es el símbolo del elemento, A es como sabemos el número másico y Z el número atómico.

Ejemplo: el átomo del cloro se representa Cl ₁₇ ³⁵ .

Nota: los iones se representan igual que los átomos neutros añadiendo en la parte superior derecha un número y un signo que puede ser “más” o “menos”. El número indica la cantidad de electrones que ha ganado o perdido el átomo. El signo “más” (+) indica que el átomo ha perdido electrones (dicho de otra manera, que ha quedado cargado positivamente) y el signo “menos” (-) indica que el átomo ha ganado electrones (o lo que es lo mismo, que ha quedado cargado negativamente).

Ejemplo: el átomo del cloro se representa ₁₇ ³⁵ Cl ^{2 } .

4.1.- Isótopos

Se llaman isótopos a los átomos del mismo elemento que tienen distinto número de neutrones.

Los isótopos tienen por tanto el mismo número atómico, pero distinto número másico.

Ejemplo: en la naturaleza existen tres isótopos de hidrógeno:

Los isótopos de algunos elementos tienen aplicaciones beneficiosas en distintos campos.

Veamos algunos ejemplos:

 En la medicina: la radioterapia se utiliza para reducir o destruir tumores, ya que este tipo de radiaciones elimina con más facilidad que otras técnicas las células que están en proceso de división como las cancerígenas. También se usan isótopos de algunos elementos en la medicina nuclear, que es una parte de la medicina especializada en la realización de pruebas (por ejemplo pruebas de contraste) utilizando isótopos de elementos radiactivos.

 En la industria: en la industria se emplean los isótopos de algunos elementos para hacer radiografías a las piezas fabricadas con idea de detectar posibles defectos de fabricación. También en la industria energética, ya que isótopos de elementos radiactivos como el uranio o el plutonio se utilizan en las centrales nucleares para obtener energía.

 En la arqueología: en la arqueología se utiliza un isótopo del carbono

(el carbono-14) para determinar la antigüedad de un fósil.

 En la agricultura: en agricultura se utilizan los isótopos tanto para conservar alimentos (ya que la radiación destruye los microorganismos), como para mejorar las cosechas (ya que sirven para averiguar cómo se produce la absorción de algunos nutrientes por parte de las plantas).

 Residuos radiactivos

Los residuos que se forman cuando se utilizan elementos radiactivos se caracterizan por su peligrosidad para los seres vivos y el medio ambiente en general, y por su larga duración (algunos residuos emiten radiaciones durante miles de años).

Podemos clasificar los residuos radiactivos en dos grandes grupos:

 Residuos de alta actividad: se trata por ejemplo de los residuos radiactivos procedentes de las centrales nucleares o de la fabricación de armas atómicas.

 Residuos de media o baja actividad: se trata por ejemplo de los residuos radiactivos procedentes de los hospitales o centros de investigación.

Para deshacerse de los residuos radiactivos, hay que introducirlos en contenedores especiales que se entierran a gran profundidad en vertederos especiales.

5.- MASA ATÓMICA

5.1.- Masa de un elemento

Para calcular la masa de un elemento necesitamos conocer la masa de cada uno de sus isótopos y la abundancia en la que se encuentran en la naturaleza cada uno de ellos (este dato se dará en tanto por ciento). Una vez conocidos estos datos se aplica la siguiente fórmula:

100

...

º 2

1    

 masa isótopo abundancia masa isótopo abundancia elemento

del Masa

er

Ejemplo: en la naturaleza existen dos isótopos del cloro (Cl), uno que tiene una masa de 35 u y se presenta con una abundancia del 76%, y otro que tiene una masa de 37 u y se presenta con una abundancia del 24%. ¿Cuál es la masa atómica del cloro?

100

º 2

1 isótopo abundancia masa isótopo abundancia Cl masa

del Masa

er   



100 24 37 76 35   

 Cl del

Masa 100

88 2660 

 Cl del Masa

100

 3548 Cl del

Masa Masa del Cl  35 , 48 u

6.- INICIACIÓN AL ÁTOMO DE BOHR

El modelo atómico de Bohr se remonta a comienzos del siglo XX y se resume en los siguientes postulados:

 El electrón solo podrá girar alrededor del núcleo en ciertas órbitas circulares permitidas a determinadas distancias del núcleo, y sin emitir energía.

 El electrón tiene una energía determinada en cada una de las órbitas. Esta energía es mayor cuanto más alejada está la órbita del núcleo. Por esta razón, Bohr llamó a cada órbita nivel de energía.

 Los electrones pueden saltar de una órbita a otra. Cuando el electrón adquiere la energía suficiente, salta desde su órbita hasta otra superior más alejada del núcleo. Cuando deja de recibir esa energía, regresa a su órbita primitiva y emite la energía que le sobra en forma de luz.

El modelo de Bohr presentaba fallos, y cuando los científicos se fueron dando cuenta, abandonaron dicho modelo.

FIN DEL TEMA