TEMA 3: LA MATERIA: PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y EL ÁTOMO

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1 TEMA 3: LA MATERIA: PROPIEDADES ELÉCTRICAS Y EL ÁTOMO 1.- La electricidad: repaso histórico. 2.- Procedimientos para determinar si un cuerpo está cargado El electroscopio El péndulo eléctrico El versorio. 3.- Formas de electrizar un cuerpo. 4.- Las partículas que forman el átomo. 5.- Modelos atómicos El modelo atómico de Thomson El experimento de la lámina de oro El modelo atómico de Rutherford El modelo atómico de Bohr El modelo atómico actual. 6.- Átomos, isótopos e iones Número atómico y número másico Isótopos Determinación de la masa de un elemento químico Iones. 7.- Radiatividad Aplicaciones de los isótopos radiactivos Los residuos radiactivos. 1.- LA ELECTRICIDAD: REPASO HISTÓRICO 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 (aunque no esté continuamente manifestándose) que observó por primera vez el filósofo griego Tales de Mileto (año 600 a.c.) 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. No fue hasta el año 1600 cuando el médico inglés William Gilbert comprobó que existían otros materiales diferentes al ámbar capaces de atraer trocitos de materiales ligeros tras ser frotados con piel. Así hizo una primera clasificación de los materiales teniendo en cuenta esta propiedad: Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 1

2 Llamó materiales eléctricos a aquellos materiales que después de ser frotados con piel eran capaces de atraer pequeños trozos de materiales ligeros. Llamó materiales no eléctricos a los que no atraían a pequeños trozos de materiales ligeros después de ser frotados con piel. William Gilbert inventó además un instrumento llamado versorio que detectaba si los materiales eran eléctricos o no eléctricos. El francés Charles du Fay afirma en el siglo XVIII que todos los materiales son eléctricos. Algunos materiales (los que Gilbert llamó eléctricos) atraían trocitos de materiales ligeros al ser frotados con piel (y también se comprobó si eran frotados con lana) y los materiales que no lo hacían (a los que Gilbert llamó no eléctricos) bastaba frotarlos con seda en vez de hacerlo con piel o lana para que fueran capaces de atraer pequeños materiales ligeros. Así Du Fay hizo una clasificación nueva de los materiales y de la electricidad llamando: Electricidad resinosa a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con piel o lana (como el ámbar, de ahí el nombre). Electricidad vítrea a la que poseen los cuerpos que la manifiestan después de ser frotados con seda (como el vidrio, de ahí su nombre). También observó Dy Fay que al acercar dos materiales con el mismo tipo de electricidad se repelían; es decir, intentaban alejarse uno del otro. De la misma manera comprobó que al acercar dos materiales con distinta electricidad se atraían; es decir, intentaban unirse. También en el siglo XVIII, pero un poco más tarde, el científico americano Benjamin Franklin defendió que la electricidad era un fluido que pasaba de unos cuerpos a otros al ser frotados entre sí. Así denominó electricidad positiva a la que poseían los materiales que ganaban fluido al ser frotados con otros materiales y electricidad negativa a la que poseían los materiales que perdían parte de su fluido al ser frotados con otros materiales. 2.- PROCEDIMIENTOS PARA DETERMINAR SI UN CUERPO ESTÁ CARGADO Un cuerpo se dice que está cargado cuando está manifestando que posee electricidad. Para determinar si un cuerpo está cargado o no se pueden utilizar los siguientes aparatos: el electroscopio, el péndulo eléctrico y el versorio El electroscopio Fue inventado por el físico francés Jean Antoine Nollet a mediados del siglo XVIII. Este instrumento consiste en un recipiente de vidrio cerrado con un tapón de corcho que está atravesado por una barra metálica en uno de cuyos extremos (el que queda fuera del recipiente) posee una bola metálica y en el otro extremo (el que queda dentro del recipiente) posee dos láminas también metálicas. Para saber si un material está cargado, basta tocar con él la bola metálica del electroscopio y observar lo que sucede con las láminas. Si estas se separan es porque el material está cargado y si no se mueven es porque el material no está cargado El péndulo eléctrico Este instrumento, también del siglo XVIII, fue ideado por el físico francés Coulomb y consiste el una bola aislante colgada de un hilo. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 2

3 Para comprobar si un cuerpo está cargado, primero hay que electrizar la bola del péndulo (en la pregunta siguiente veremos tres formas de hacerlo) y a continuación bastará con acercar el cuerpo a la bola del péndulo. Si esta se mueve significa que el cuerpo que hemos acercado está cargado y si no se mueve es porque no lo está. Si además sabemos la carga del péndulo, podemos averiguar también la carga del cuerpo. Si al acerca el cuerpo al péndulo este se mueve alejándose de él, es porque el cuerpo tiene la misma carga que el péndulo. Si al acercar el cuerpo al péndulo este se mueve acercándose al cuerpo, significa que tienen distintas cargas El versorio Fue inventado por William Gilbert en el siglo XVII y consiste en una guja metálica clavada a una base y en cuyo extremo lleva un par de aspas. Para averiguar si un cuerpo está cargado basta acercarlo a las aspas del versorio. Si estas se mueven significa que el cuerpo está cargado y si no se mueven es porque no lo está. 3.- FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO Electrizar un cuerpo consiste en conseguir que manifieste que posee electricidad. Hay varias formas de hacerlo: Por frotación: ya hemos visto que determinados cuerpos quedan electrizados al ser frotados con piel o lana (como el ámbar) y el resto al ser frotados con seda (como el vidrio). Por contacto: podemos electrizar un cuerpo al ponerlo en contacto con otro que esté electrizado, además adquirirá la misma carga que la que tenga el objeto que ya estaba electrizado. Por inducción: podemos electrizar un cuerpo acercándolo a otro cuerpo (sin tocarlo) que esté cargado. En este caso la carga del cuerpo que está electrizado atraerá las cargas del signo contrario del cuerpo que queremos electrizar, produciéndose una reordenación de sus cargas que deja electrizado el cuerpo. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 3

4 4.- LAS PARTÍCULAS QUE FORMAN EL ÁTOMO Actualmente sabemos que dentro del átomo hay tres tipos de partículas, todas ellas descubiertas en el siglo XIX: Electrones: descubiertos por J. J. Thomson y que tienen carga eléctrica negativa. Protones: descubiertos por Rutherford y con carga eléctrica positiva. Neutrones: descubiertos por James Chadwick y sin carga eléctrica pero con masa. Además se sabe que los protones y neutrones están formados a su vez por otro tipo de partículas llamadas quarks. 5.- MODELOS ATÓMICOS 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 para que se describieran mejor El modelo atómico de Thomson Thomson describió el átomo como una gran masa de carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones El experimento de la lámina de oro 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 unos rayos denominados alfa (α) de los que se sabía que poseen carga positiva. 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). Estas observaciones le llevaron a desarrollar el modelo atómico que lleva su nombre. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 4

5 5.3.- El modelo atómico de Rutherford Según Rutherford en el átomo se distinguen dos partes: El núcleo: donde se concentraría casi toda la masa del átomo y toda la carga positiva; es decir, los protones. La corteza: donde estarían los electrones girando alrededor del núcleo y describiendo órbitas circulares El modelo atómico de Bohr El científico Niels Bohr matizó de qué manera giran los electrones alrededor del núcleo. Según su modelo, los electrones giran alrededor del núcleo describiendo determinadas órbitas circulares. Lo de determinadas órbitas significa que solo pueden girar los electrones a determinadas distancias del núcleo. A cada una de las órbitas que describen los electrones al girar alrededor del núcleo se le llama nivel de energía y cada nivel puede tener un número máximo de electrones (por ejemplo el primer nivel dos electrones, el segundo nivel ocho electrones, el tercer nivel dieciocho electrones ). Ejemplo: dibuja los niveles de energía con los electrones correspondientes de un átomo de oxígeno y otro de sodio. Oxígeno Sodio La diferencia entre el modelo atómico de Rutherford y el modelo atómico de Bohr es que en el modelo atómico de Rutherford los electrones giran alrededor del núcleo a cualquier distancia de él mientras que en el modelo de Bohr los electrones giran a una distancia determinada El modelo atómico actual Este modelo se debe al físico alemán Edwin Schrödinger, quien afirma que en lugar de encontrarse los electrones en los niveles de energía a cierta distancia del núcleo, existe más de un 90% de probabilidad de encontrar a los electrones en una determinada zona del espacio a la que llamó orbital atómico. Los orbitales atómicos no tienen una forma fija, aunque suelen presentar formas geométricas. Para localizar los electrones de un átomo en los niveles de energía y orbitales atómicos se puede hallar la configuración electrónica de dicho átomo. Para poder escribir la configuración electrónica de un átomo necesitamos saber: El número de electrones que caben en cada nivel de energía: Nivel 1 2 e - Nivel 3 18 e - Nivel 2 8 e - Nivel 4 32 e - El número de electrones que caben el cada orbital: s 2 e - p 6 e - d 10 e - f 14 e - Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 5

6 El orden en el que se van llenando los orbitales: Ejemplo: a) Escribe la configuración electrónica del sodio (Na). Primero consultamos la tabla periódica para saber cuántos electrones tiene un átomo de sodio: 11 e -. Estos once electrones se colocarían así: 1s 2 2s 2 p 6 3s 1 b) Cuántos niveles de energía posee este átomo? Tres (1s 2 2s 2 p 6 3s 1 ). c) Cuántos electrones posee un átomo de sodio en el último nivel de energía? Uno (1s 2 2s 2 p 6 3s 1 ). Ejemplo: escribe la configuración electrónica del rubidio (37 e - ). 1s 2 2s 2 p 6 3s 2 p 6 d 10 4s 2 p 6 5s ÁTOMOS, ISÓTOPOS E IONES Número atómico y número másico El número atómico de un elemento es el número de protones que tiene, y se representa con la letra Z. Ejemplo: busca el número atómico del sodio. Z (Na) = 11 (esto significa que el átomo de sodio tiene 11 protones). El número másico de un elemento es el número de protones más el número de neutrones que tiene, y se representa con la letra A. Así podemos escribir: Observaciones: A = Nº protones + Nº neutrones a) Cuando el átomo de un elemento sea neutro, entonces tiene el mismo número de protones que de electrones. b) El número atómico determina el elemento correspondiente a un átomo dado, dicho de otra manera, todos los átomos del mismo elemento tienen el mismo número atómico o número de protones. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 6

7 Ejemplo: consulta la tabla periódica y contesta las siguientes preguntas (no olvides justificarlas): 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 A Z 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 Isótopos Se llaman isótopos a los átomos del mismo elemento que tienen distinto número de neutrones. Ejemplo: en la naturaleza existen isótopos de hidrógeno: Determinación de la masa de un elemento químico 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: Masa del elemento masa er 1 isótopo abundancia masa 2º isótopo abundancia... 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? Masa del masa Cl er 1 isótopo abundancia masa 2º isótopo abundancia Masa del Cl Masa del Cl 3548 Masa del Cl Masa del Cl 35, 48 u Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 7

8 6.4.- Iones Un ión es un átomo que ha ganado o perdido electrones. Al ión que se obtiene añadiéndole electrones se le llama ión negativo o anión, y al ión que se obtiene quitando electrones se le llama ión positivo o catión. 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: Litio (Li, Z (Li) = 3) Li 7.- RADIACTIVIDAD Li (pierde un electrón) 2 Li (gana dos electrones) Existen núcleos de algunos isótopos que pueden sufrir cambios debido a: a) La pérdida o ganancia de algunas partículas, fenómeno conocido como radiactividad. b) La rotura de su núcleo para generar núcleos más pequeños, fenómeno conocido como fisión nuclear. c) La unión de núcleos de pequeño tamaño para generar un núcleo mayor, fenómeno conocido como fusión nuclear. El proceso de radiactividad origina que algunos núcleos atómicos puedan emitir radiación. Esta puede ser de tres tipos: - Radiación alfa (rayos ): son partículas formadas por dos protones y dos neutrones (núcleos de helio). Tiene carga positiva y emite radiación a gran velocidad. Tiene poco poder de penetración. - Radiación beta (rayos ): está formada por electrones. Su carga es negativa y su masa muy pequeña. Tienen mayor poder de penetración que las partículas alfa. - Radiación gamma (rayos ): es una radiación neutra, no tiene carga. Tiene gran poder de penetración, para detenerla es necesario utilizar gruesas placas de plomo o de hormigón Aplicaciones de los isótopos radiactivos Las tres aplicaciones principales de los isótopos radiactivos son: a) Como fuente de energía. b) En investigaciones y experimentos científicos. c) En medicina. Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 8

9 Como fuente de energía: se obtiene gran cantidad de energía por la fisión de isótopos radiactivos, siendo los isótopos más utilizados el uranio y el plutonio ( 92 U y 94 Pu ). Se utilizan también dichos isótopos para fabricar pilas de larga duración, por ejemplo las empleadas en marcapasos, en sondas espaciales Para determinar en aplicaciones científicas la antigüedad de restos arqueológicos: cada isótopo se desintegra a un ritmo y podemos medir la velocidad a la que estos isótopos emiten radiación mediante un instrumento denominado contador Geiger, lo que permite conocer la antigüedad de un material Los residuos radiactivos Todas las actividades relacionadas con los isótopos radiactivos generan residuos que hay que tratar y almacenar de manera adecuada. Son residuos los restos de combustible nuclear y los materiales que se utilizan para el tratamiento o diagnóstico de enfermedades. Los residuos presentan dos características fundamentales: - Son muy peligrosos, pequeñas cantidades de residuo pueden emitir radiación peligrosa para la salud humana. - Son muy duraderos, algunos siguen emitiendo radiación durante miles de años, como el uranio. Los residuos se clasifican en: a) Residuos de baja y media actividad: son aquellos que dejan de ser peligrosos pasados unos trescientos años como máximo. b) Residuos de alta actividad: proceden de restos de combustibles de las centrales nucleares o del armamento nuclear. Tardarán miles de años en dejar de ser nocivos para la salud. FIN DEL TEMA Tema 3. La materia: propiedades eléctricas y el átomo Página 9