29/08/2016. Unidad II: Estructura de la materia. El Átomo: Desde la concepción filosófica hasta la teoría atómica UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Transcripción

1 UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA Unidad II: Estructura de la materia. Teoría atómica de Dalton Modelos atómicos. Teoría atómica moderna. El átomo. Sus partículas fundamentales. Símbolo nuclear. Números atómico y másico. Isótopos Radiactividad. Partículas radiactivas. Radiación. Rastreadores químicos. Número cuántico. Definición. Número cuántico principal. Población electrónica (2n 2 ) Número cuántico orbital (l). Valores de l y tipos de orbital (s,p,d,f) Niveles y subniveles de energía. Cantidad de electrones en cada subnivel (bloques s,p,d,f) (ml y ms) Principio de exclusión de Pauli y regla de Hund. Diagrama de orbitales Los 10 primeros elementos : Desde la concepción filosófica hasta la teoría atómica Las imágenes muestran esculturas de Aristóteles de Estágira(384 a.c. 322 a.c.) y Demócrito de Abdera (460 a.c. 370 a. C.), quienes sostenían ideas contrarias con relación a la naturaleza de la materia. Sabe Ud. que postura defendían? UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA Desde los tiempos más remotos, el ser humano ha sentido curiosidad por conocer sobre la composición del universo que le rodea. Demócrito, un filósofo de la antigüedad, al igual que su mentor Leucipo, sostenía la creencia de que existía una partícula fundamental constitutiva de la materia que se caracterizaba por ser indivisible. A esta partícula la denominó Átomo, y a esta corriente de pensamiento se le llamó atomismo. UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA Empédocles, un filósofo presocrático del siglo V a.c, había sostenido la teoría de las cuatro raíces, la cual postulaba que todas las sustancias están compuestas por una mezcla de agua, aire, tierra y fuego. Aristóteles rechazaba el atomismo. Consideraba que la materia era continua y llamó elementos a las cuatro raíces de Empédocles. UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LA MATERIA Las ideas de Aristóteles perduraron por más de 2000 años. No fue sino hasta el siglo XVII cuando algunos hombres de ciencia como Robert Boyle e Isaac Newton retomaron las ideas atomistas de Leucipo y Demócrito. En 1804, John Dalton, Químico, Físico y Meteorólogo inglés propuso, a partir de los descubrimientos de Antoine Lavoisier y Joseph Proust, su teoría atómica, la cual presentaba los siguientes postulados: 1

2 Teoría Atómica de Dalton 1.- Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. 2.- Todos los átomos de un elemento químico dado son idénticos en su masa y demás propiedades. 3.- Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular sus masas. 4.- Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos. 5.- Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, en una relación de números enteros y sencilla, formando entidades definidas (hoy llamadas moléculas). Si hoy, a pesar de los avances tecnológicos modernos que nos permiten obtener imágenes difusas de un átomo, aun no podemos decir que es posible verlos en el sentido estricto de la palabra, hace 100 años era más difícil todavía. Foto de unos 500 átomos de Niobio y Selenio ( ryandersonn/atoms-are-real/) 8 En ciencias, un modelo es una representación abstracta de un fenómeno complicado o poco conocido, de manera que cuando es comparado con el modelo (más simple y conocido) permite darle una explicación matemática. El modelo atómico de Dalton permitía explicar las leyes ponderales de la materia, como son la de conservación de la materia, la de proporciones múltiples y la de proporciones definidas Sin embargo, la teoría de Dalton no explicaba muchos fenómenos que fueron descubiertos desde fines del siglo XVII, como eran la conductividad de los metales, las celdas electroquímicas, la formación de iones, etc. En 1904 J. J. Thompson propuso el modelo del pudín de pasas, el primero que hacía referencia a las partículas subatómicas. Este modelo explicaba los fenómenos eléctricos de la materia pero no la fosforescencia, término con el que se confundió originalmente la radiactividad. En 1911, Ernest Rutherford propuso el modelo planetario del átomo. El mismo explicaba las radiaciones, pero no la existencia de los espectros atómicos, ni las discrepancias que éste modelo presentaba con las leyes de la Física clásica. Basado en el modelo anterior, Niels Bohr propuso en 1913 el modelo de Hidrógeno, con el que pudo explicar los espectros de absorción y emisión, así como el efecto fotoeléctrico, introduciendo el concepto de nivel de energía. El modelo de Bohr sólo era aplicable al átomo de hidrógeno, pues no podía explicar la existencia de electrones con distinto contenido energético en los niveles 2 en adelante. En 1916 Arnold Sommerfeld introduce variaciones al modelo de Bohr para generalizarlo. Por ejemplo, la posibilidad de que los electrones describan no sólo órbitas circulares, sino también elípticas. Es Sommerfeld quien introduce los conceptos de subnivel, orbital y spin en la actual descripción atómica. 2

3 El modelo de la nube de electrones, fundamento de la teoría atómica moderna, fue propuesto por Erwin Schrödinger y Werner Heinsenberg en Este modelo sustituye la noción de órbitas electrónicas precisas por la de regiones en el espacio donde con mayor probabilidad puede encontrarse un electrón (orbital). Este modelo se expresa matemáticamente mediante una compleja ecuación presentada más adelante, cuya solución denominada función de onda, mide la probabilidad de encontrar un electrón en el espacio. Cronología de la teoría atómica actual 1803: Dalton propone la primera teoría atómica. 1861: Maxwell desarrolla la teoría electromagnética 1896: Roentgen descubre la existencia de unos rayos de naturaleza desconocida (rayos X). 1896: Becquerel descubre la naturaleza radioactiva del uranio. 1897: J. J. Thompson descubre la existencia del electrón, y en 1904 propone el modelo del pudín de pasas. 1898: Los esposos Pierre y Marie Curie descubren el carácter radioactivo del Torio y el Uranio, así como los elementos Radio y Polonio. Cronología de la teoría atómica actual 1909: Millikan determina la carga del electrón. 1911: Rutherford prueba la existencia del protón. Corrige además el modelo de Thompson. 1913: Bohr propone el modelo del átomo de hidrógeno, corregido en 1916 por Summerfeld. 1926: Schrodinger y Heinsenberg proponen el modelo de la nube de electrones, base de la teoría atómica moderna. 1932: James Chadwick descubre la existencia del neutrón. El átomo es la partícula más pequeña de un elemento que aun mantiene las propiedades de ese elemento. Los átomos poseen un núcleo compuesto por protones y neutrones, y una nube electrónica formada por electrones. A los protones y neutrones se les llama nucleones, por estar localizados en el núcleo. Normalmente los átomos son eléctricamente neutros. El número de protones es único, constante y universal. Por ello, El número atómico (Z) se define como la cantidad de protones en el núcleo de todos los átomos de un elemento dado. El número de masa (A) se define como la suma de protones y neutrones en el núcleo de un tipo de átomos de un elemento dado

4 El símbolo nuclear de un elemento es una forma concisa de presentar el símbolo y los números de masa y atómico de un elemento. La diferencia entre los números de masa y atómico nos da el número de neutrones en el núcleo Contrario a la idea de Dalton, no todos los átomos de un elemento son idénticos. Los isótopos son átomos de un mismo elemento que poseen igual número de protones en el núcleo, pero diferente número de neutrones. Debido a que el número de masa varía entre los isótopos de un mismo elemento, la masa atómica se define como el promedio de los números de masa de todos los isótopos de un elemento. Generalmente este valor es muy influenciado por el número de masa del isótopo conocido más abundante en el universo. Radiactividad En 1896, mientras Henri Becquerel investigaba la fluorescencia de ciertos materiales, notó que unas sales de uranio con las que trabajaba, habían arruinado una película fotográfica guardada junto a ellas. Esto condujo a una estudiante doctoral de Becquerel Marie Curie y a su esposo Pierre, al descubrimiento de unos rayos y partículas que emiten algunos átomos cuyos núcleos son inestables. Esta emisión natural o artificial se conoce como radiactividad. La radiactividad consiste en la emisión de partículas alfa (α)(núcleos de Helio), beta (β)(electrones) y rayos gamma (γ). Radiactividad 4

5 Los Radioisótopos son isótopos radiactivos de un elemento. Por ejemplo, el 3 H es un isótopo radiactivo del 1 H. Las aplicaciones de los radioisótopos se basan en que un isótopo radiactivo es, desde el punto de vista físico y químico, exactamente igual a su isótopo no radiactivo y se comporta de la misma forma en cualquier proceso físico o químico en el cual participe. La ventaja es que se trata de un átomo marcado y puede ser seguido en todas sus reacciones químicas y/o biológicas gracias a las radiaciones que emite. Teniendo en cuenta estas características de los radioisótopos, se pueden emplear para tres aplicaciones: Como fuente de energía. En investigaciones científicas. En aplicaciones médicas. Aplicaciones como fuentes de energía En las Centrales nucleares se obtienen grandes cantidades de energía aprovechando la fisión de ciertos isótopos. Los isótopos más empleados en estas centrales son el uranio-235 y el plutonio-239. Otra de las formas de aprovechamiento de la energía nuclear, es en la fabricación de pilas de muy larga duración. Uno de los isótopos más empleados es el plutonio-238. Estas pilas se colocan en lugares de difícil acceso o que no pueden ser cambiadas con frecuencia, como por ejemplo: en marcapasos, en estaciones marítimas o en sondas espaciales. Aplicaciones en Investigación científica Los elementos, tal como se encuentran en la naturaleza, son una mezcla de isótopos. La masa atómica que aparece en la tabla periódica es el promedio de todas las masas isotópicas naturales, de ahí que no sean números enteros. Los isótopos se utilizan como rastreadores o marcadores, para saber en qué se transforma exactamente una sustancia en una reacción química. Por ejemplo, si tomamos un vaso de agua con sal (NaCl) que contenga al isótopo sodio-24, podemos observar que el sodio tarda sólo 75 segundos en llegar a la superficie de nuestra piel, por transpiración. Aplicaciones médicas Para diagnosticar algunas enfermedades se introduce en los enfermos una sustancia que contiene un isótopo radiactivo que emita radiación con poca energía. La sustancia se fija en el órgano que se desea estudiar y, así, se puede observar, por la radiación que emite. Por ejemplo, el tecnecio-99 se emplea en el diagnóstico de enfermedades óseas. Para ello se suministra con compuestos de fósforo que se fijan en los huesos. Para curar ciertos tipos de cáncer. Debido a que el cáncer hace que algunas células se reproduzcan rápidamente, los radioisótopos atacan a este proceso de reproducción celular. En esto consiste la radioterapia. Por ejemplo, el cobalto-60 y el yodo -131 son de los radioisótopos más empleados en la terapia contra el cáncer. 5

6 La solución de la ecuación de onda de Schrödinger da origen a cuatro tipos de valores llamados números cuánticos. Estos números constituyen la mejor forma de describir los electrones en un átomo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo atómico en regiones denominadas niveles o capas de energía. El número cuántico principal (n) indica el número de nivel en el que se encuentra un electrón. Los niveles se identifican mediante números enteros positivos desde n = 1 para el nivel más cercano al núcleo, hasta n = 7 para el más alejado. El número máximo de electrones que puede haber en un nivel determinado viene dado por la expresión 2n 2, donde n es el número de nivel. 31 Los niveles de energía se dividen en subniveles. El número cuántico azimutal o del momento angular (l) indica el número de subnivel. Existen 4 tipos de subniveles, y entre n=1 y n=4 cada nivel tiene tantos subniveles como el número de nivel que le corresponde. Entre n=5 y n=7 el número de subniveles decrece desde 4 hasta 2. Los tipos de subnivel se representan mediante las letras s, p, d y f, y a éstas se les asignan los valores 0, 1, 2, y 3 respectivamente. Así como los niveles se subdividen en subniveles, éstos de dividen a su vez en orbitales. El número cuántico magnético (ml) o simplemente (m), llamado también orbital, se define como la posición más probable en la que podemos encontrar un electrón en un átomo. Cada tipo de subnivel tiene un número fijo de orbitales, así, un subnivel de tipo s posee un orbital; uno p posee tres, uno d posee cinco y uno f posee siete. 6

7 Los orbitales pertenecientes a un mismo subnivel se diferencian entre si mediante valores que son asignados a todos los orbitales del subnivel. Estos valores van desde (-l) hasta (+l) pasando por cero. Cada orbital es lo suficientemente grande para acomodar no más de dos electrones, los cuales deberán diferir, como veremos a continuación, en el valor del próximo número cuántico. El último número cuántico se denomina número cuántico de espín, (ms) o simplemente (s). Este indica la orientación del giro o rotación de los electrones dentro de un mismo orbital, y sólo puede tener dos valores posibles: ±½. Dos electrones en un mismo orbital sólo pueden coexistir si poseen distintos valores de espín, y se les denomina electrones apareados. La configuración electrónica es una descripción abreviada de la distribución de los electrones alrededor de los núcleos atómicos de un elemento utilizando los números cuánticos de esos electrones. La configuración se rige según el diagrama de Moeller, y se basa en una serie de reglas y principios que gobiernan la distribución electrónica, los cuales se mencionan a continuación: 7

8 El Principio de Incertidumbre de Heinsenberg: Es imposible saber exactamente dónde y a qué velocidad se mueve un electrón. La Regla de Hund: Al llenar orbitales de igual energía (los tres orbitales p, los cinco d, o los siete f) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, es decir, separados. El Principio de Exclusión de Pauli: Es imposible que dos átomos tengan el mismo grupo de números cuánticos. Provea la configuración electrónica de los elementos cuyos números atómicos son Z=6 y Z=16. Determine la identidad del elemento cuya configuración electrónica es 1s 2, 2s 2, 2p 4 Determine la configuración electrónica del Escandio (Z=21) Debido al solapamiento que ocurre entre los subniveles a partir del tercer nivel, necesitamos un recurso que nos permita determinar, en la mayoría de los casos, la configuración electrónica de un elemento con gran fiabilidad. Este recurso se conoce como el diagrama de Moeller Ejercicios Propuestos: Provea la configuración electrónica de los elementos cuyos números atómicos son Z=13, Z=33 y Z=53 Determine la configuración electrónica de los elementos con los primeros 10 valores de Z en la tabla periódica Determine la identidad del elemento cuya configuración electrónica aparece a continuación: 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 2, 3d 10, 4p 6, 5s 2 45 Seleccione 2 elementos que pertenezcan a un mismo grupo o columna (1-2, 13-18) en la tabla periódica y encuentre su configuración electrónica. Existe alguna similitud en las configuraciones? De ser así, Cuál es o Cuáles son? Seleccione 2 elementos que pertenezcan a un mismo período o fila en la tabla periódica y encuentre su configuración electrónica. Existe alguna similitud en las configuraciones? De ser así, Cuál es o cuáles son? Determine la identidad de los elementos siguientes a partir de los 4 números cuánticos del último electrón de valencia de c/u de ellos: n=3, l=0, ml=0, ms=+½ n=5, l=1,ml=-1, ms=-½ N=5, l=2, ml=-2, ms=+½ FIN DE LA PRESENTACIÓN 8