Modelo atómico de Bohr. Niveles de energía
Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y Eduardo Reciulschi Responsable disciplinar: Silvia Blaustein
Área disciplinar: Química
Temática: Configuración electrónica y relación con los espectros de líneas
Nivel: Secundario, ciclo básico
Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar
Propósitos generales
Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.
Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo. Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
Los átomos tienen un núcleo muy pequeño en el que se concentran los protones, partículas subatómicas con carga positiva. De acuerdo con el modelo atómico de Bohr, los electrones (partículas subatómicas con carga negativa) giran alrededor del núcleo en trayectorias denominadas órbitas.
La mayor parte de la masa del átomo está concentrada en el núcleo, ya que la masa de los electrones es muy
pequeña. El número de protones se denomina número atómico y determina la identidad del elemento. Así, por ejemplo, todos los átomos de sodio se caracterizan por tener 11 protones en su núcleo.
Dentro del núcleo también existen otras partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica, denominadas neutrones. El número másico de un átomo de un elemento es la suma del número de protones y de neutrones (es decir, de las partículas presentes en el núcleo).
Todos los átomos de los elementos son eléctricamente neutros, por lo tanto tienen igual número de protones y electrones. La distribución de los electrones en un elemento determina sus propiedades químicas, es decir, su capacidad de combinarse con otros elementos.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
representen los átomos de los elementos según el modelo de Bohr;
se introduzcan en el concepto de niveles energéticos y distribución/configuración electrónica; relacionen los espectros de líneas y los ensayos a la llama con el modelo aprendido.
Actividad 1:
Los electrones en un átomo no están distribuidos al azar alrededor del núcleo. En 1913, Niels Bohr propuso que los electrones se encuentran distribuidos en diferentes niveles energéticos.
Según este modelo, en el primer nivel energético (que es el más cercano al núcleo) pueden ubicarse solamente 2 electrones, mientras que en el segundo nivel se pueden ubicar 8. Si un átomo tiene más electrones, estos se ubicarán en niveles energéticos superiores (más alejados del núcleo). Por ejemplo, el número atómico del sodio (Na) es 11, por lo tanto, un átomo de sodio tiene 11 protones en su núcleo. Dado que en un átomo el número de protones es igual al de electrones, el Na tendrá 11 electrones. Estos 11 electrones están distribuidos en 3 niveles energéticos: 2 electrones en el primer nivel, 8 en el segundo y el restante, en el último nivel. En la figura 1 se muestra una forma de representar el modelo de Bohr para este elemento.
Figura 1. Modelo de Bohr para el sodio
Según este modelo, representen los átomos de los siguientes elementos: potasio, calcio, magnesio, nitrógeno, fósforo, oxígeno, azufre, cloro y flúor. Para eso, utilicen el programa ChemSketch en el modo Draw o el programa Draw del OpenOffice de sus equipos portátiles.
a) Agrupen los elementos que tengan igual número de electrones en el último nivel energético. Por ejemplo: los 11 electrones del sodio se encuentran distribuidos en 3 niveles de energía: 2 electrones en el primer nivel, 8 en el segundo y 1 electrón en el último nivel. El litio, cuyo número atómico es 3, también tiene un único electrón en el último nivel.
b) Comparen sus representaciones anteriores con la simulación que se muestra en el siguiente sitio. Cotejen la separación de los niveles energéticos en ambas. ¿Qué pueden observar que ocurre con la separación de los
niveles energéticos a medida que se alejan del núcleo?
Modelo Atómico de Bohr
Actividad 2:
Hace muchos años, los químicos acostumbraban identificar a los compuestos químicos observando el color
característico que tomaba una llama cuando se los ponía al fuego. Los fuegos artificiales son una aplicación directa de esta propiedad con fines recreativos.
En el campo científico, se observó también que cuando un elemento en estado gaseoso se calienta o se excita por medio de una descarga eléctrica, emite radiación electromagnética (que puede verificarse como luz, si la frecuencia se encuentra en el rango visible). Esta radiación constituye su espectro de emisión atómica.
Los espectros atómicos con estas características están constituidos por líneas de diferentes frecuencias. Por el contrario, la luz blanca presenta un espectro continuo, es decir, que se descompone en todos los colores. Cada elemento tiene un espectro que lo caracteriza.
Para explicar este fenómeno, Bohr propuso que cuando un electrón pasa de una órbita a otra de menor energía, emite luz correspondiente a la diferencia de energía entre las órbitas.
Ensayos a la llama:
1. Para observar los espectros de todos los elementos, utilicen el siguiente sitio con las simulaciones correspondientes:Educaplus
2. Predigan cuáles son los colores a la llama que se podrán observar en el siguiente ensayo de laboratorio.
Materiales
Nitrato o cloruro de sodio. Nitrato o cloruro de potasio. Cloruro cúprico.
Agua. Etanol.
Agua destilada.
Frascos de vidrio con tapa (pueden ser frascos de productos comerciales como mayonesa o yogurt). 4 tizas blancas.
Pinza. Mechero.
Limaduras de hierro.
Procedimiento
1. Utilicen soluciones de los siguientes compuestos: nitrato o cloruro de sodio, nitrato o cloruro de potasio, cloruro cúprico. Las soluciones deben ser preparadas con aproximadamente 150 a 300 mg de cada compuesto en 8 ml de etanol. Si no se disuelven totalmente, agreguen 1 ml de agua destilada para facilitar el proceso.
2. Si cuentan con otros cloruros o nitratos solubles, pueden prepararse más soluciones. Guarden las soluciones en frascos de vidrio con tapa.
3. Tomen 4 tizas blancas. Sumerjan una tiza en cada una de las tres soluciones y la cuarta tiza en etanol puro (ensayo en blanco solamente con el solvente que disuelve los compuestos). Con una pinza, tomen las tizas y expónganlas a la llama de un mechero (siempre usen anteojos de seguridad cuando realizan experiencias a la llama).
4. Observen los colores a la llama y comparen sus resultados con las predicciones realizadas con la simulación.
5. Tomen una punta de espátula de limaduras de hierro y colóquenla sobre la llama. Observen qué ocurre.
a) Con la cámara de sus equipos portátiles, tomen fotografías de todas las soluciones, antes y después de encenderlas. Hagan lo mismo con las limaduras de hierro.
b) Confeccionen una tabla utilizando el programa Writer de sus equipos portátiles para relacionar el compuesto con el color obtenido a la llama. Incorporen las fotografías obtenidas.
c) Comparen los resultados obtenidos con las predicciones efectuadas utilizando las simulaciones.
Actividad 3:
Los diferentes colores de los fuegos artificiales pueden explicarse basándose en la estructura electrónica de los elementos que se mezclan con los explosivos. Investiguen la historia de los fuegos artificiales, sus componentes y cuál es la función de cada una de las sustancias químicas utilizadas en su fabricación.
a) Utilicen un buscador de Internet para la investigación. Relacionen la información encontrada con los resultados obtenidos en laactividad 2.
b) Usen la plataforma Squeak para compartir la información encontrada con los otros alumnos.
Enlaces de interés y utilidad para el trabajo
Actividad. Modelo mecano cuántico del átomo.
Actividad. Configuración electrónica
Actividad. Tabla periódica. Variación periódica de las propiedades.
Actividad. Iones (I).
Bibliografía recomendada
A. M. Landis y M. I. Davies, J. Chem. “Magic Eraser” flame tests. 86, 5, 577-8, Journal of Chemical Education, 2009. (Descripción de ensayo a la llama utilizando gomitas.)
Webgrafía recomendada
Modelo de Bohr y contexto histórico. Simulación.Simulación de espectros de líneas y explicación de los mismos. Laboratorio virtual, ensayos a la llama.
Fuegos artificiales en el laboratorio(no repetir en casa).
Video sobre el Modelo de Bohr(3.32 minutos y no termina).
Espectroscopio, modelos atómicos diversos(5.54 minutos).
Ensayo a la llama de cloruros de metales alcalinos(1.17 minutos, en inglés).
