TEMA 3. LA MATERIA Y LOS ELEMENTOS

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1 TEMA 3. LA MATERIA Y LOS ELEMENTOS 1. LA MATERIA. CLASIFICACIÓN: Según su composición, podemos dividir la materia en: Además, en una mezcla homogénea, la composición y propiedades son iguales en todos los puntos de la mezcla y en una heterogénea este hecho no ocurre.

2 2.. MÉTODOS DE SEPARACIÓN A) Métodos separación de mezclas heterogéneas. 1) Filtración: permite separar un sólido de un líquido. Para ello se pasará la mezcla por un filtro, el sólido queda retenido y se recogerá el líquido en otro recipiente. 2) Decantación: permite separar líquidos con distinta densidad. Para ello usaremos un embudo de decantación, consiste en un recipiente de vidrio con una llave de paso en su extremo inferior lo cual permite regular la salida de líquido. 3) Imantación: permite separar dos sólidos siempre que solo uno de ellos sea metal, para ello haremos uso de un imán. 4) Disolución selectiva: permite separar dos sólidos, utilizando para ello un tercer componente líquido que solo sea capaz de disolver solo a uno de ellos. Después se realizaría una filtración (ejemplo: arena y sal). 5) Centrifugación: permite separar sólidos dispersos en líquidos (coloides). Para ello se usa una centrífuga que es un aparato que gira violentamente potenciando el efecto de la gravedad, permitiendo que el sólido se deposite en el fondo. Después se elimina el líquido con un cuentagotas. B) Métodos de separación de mezclas homogéneas 1) Evaporación: permite separar un sólido de un líquido o dos líquidos con puntos de ebullición distintos, pero está el problema de que el líquido que se evapora se pierde. 2) Destilación: es un método utilizado para separar dos líquidos de una mezcla homogénea siempre que tengan distinto punto de ebullición. Para ello se utiliza un montaje de destilación que consiste en un recipiente de partida en la que se coloca la mezcla que se quiere separar, ésta se calentará gracias a la presencia de un mechero. En su interior, un termómetro indicará la temperatura. Cuando alcancemos la temperatura de líquido de ebullición más bajo, éste comenzará a evaporarse saliendo del matraz hacia el conducto de refrigeración, al enfriarse condensará y se recogerá en otro recipiente de nuevo en estado líquido.

3 C) Métodos de separación de un compuesto en sus elementos Para separar los componentes de un compuesto se utilizan básicamente dos procedimientos: Descomposición térmica: es una reacción que se produce por calentamiento de un compuesto. Electrólisis: es el cambio producido por el paso de la corriente a través de la sustancia, generalmente fundida o disuelta. 3. DISOLUCIONES: Un sistema material homogéneo formado por la mezcla de dos o más componentes se denomina disolución o mezcla homogénea. Se llama disolvente al compuesto mayoritario en la disolución. Se llama soluto al componente minoritario. Según la proporción de soluto y disolvente, las disoluciones pueden ser: Diluidas. Si la cantidad de soluto en relación con el disolvente es muy pequeña. Concentradas. Si la cantidad de soluto en relación con el disolvente es alta. Saturadas. Si el soluto está en la máxima proporción posible. Cualquier cantidad de soluto que se añada posteriormente a esta disolución no se disolverá. 4.- CONCENTRACIÓN DE UNA DISOLUCIÓN La concentración de una disolución expresa de forma numérica la proporción de soluto en una determinada cantidad de disolución. 1. Se puede calcular de diversas formas y utilizando diversas unidades: Concentración en masa: (g/l). Concentración = 2. Tanto por ciento de masa: =!"#"!!"#$%"!"#$%&'!!"#$%&'"ó! %=!"#"!!"#$%"!"#"!!"#$%"!!"#"!!"#$%&'()'.100 (Problemas- apuntes de clase)

4 5.- EL ÁTOMO. MODELO ATÓMICO DE DALTON. Pruebas de la existencia de los átomos Hasta el año 1800, la mayoría de los científicos creían que la materia era continua y por tanto, no estaba constituida por partículas. Fue a lo largo del siglo XIX cuando se fue aceptando la idea de que la materia estaba formada por la unión de partículas de muy pequeño tamaño llamados átomos. Modelo atómico de Dalton La primera teoría atómica de la materia con carácter científico fue propuesta en 1803 por el científico británico John Dalton. Se puede resumir en varias ideas fundamentales: o La materia está constituida por átomos. o Los átomos son indivisibles y no se modifican en las reacciones químicas. o Todos los átomos de un mismo elemento químico son idénticos en masa y propiedades. o Los átomos de elementos químicos diferentes tienen masa y propiedades diferentes. o Los compuestos están formados por la unión de átomos de distintos elementos. 6.- MODELOS ATÓMICOS. THOMSON, RUTHERFORD Y BOHR. 6.1 Modelo atómico de Thomson Muchos fenómenos explicaban que existía una relación entre la materia y la electricidad. Así, el físico inglés Thomson en 1897 demostró en un experimento con descargas eléctricas en gases que se producían partículas con carga eléctrica negativa. Thomson denominó a estas partículas electrones y concluyó diciendo que el electrón era un constituyente fundamental del átomo. Este hecho invalidaba la idea de Dalton, ya que confirmaba que el átomo tenía en su interior tenía partículas subatómicas, por tanto era divisible. Si la materia es neutra, como explicaron los científicos este hecho? Pensaron que debían de existir otras partículas en el átomo con carga eléctrica positiva a las que llamó protones (p+). Así, el modelo de Thomson, describe al átomo como una esfera maciza cargada positivamente en cuyo interior están incrustados los electrones El modelo atómico de Rutherford El modelo atómico de Thomson proponía la existencia de átomos en la materia, compuesto por partículas subatómicas. Fue en el año 1911 cuando el científico Rutherford intentó explicar como se disponen estas partículas dentro del átomo. Para averiguarlo, bombardeó láminas muy finas de oro con partículas alfa que tienen carga positiva. Observaron que la mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse y muy pocas de ellas salían rebotadas. Cuando una partícula alfa pasaba cerca del núcleo en el experimento, se veía sometida a una fuerza de repulsión y sufría una gran desviación.

5 Rutherford propuso que toda la masa y la carga positiva del átomo debía concentrarse en una región muy pequeña a la que llamó núcleo y que el resto (fuera del núcleo) estaba prácticamente vacío, ahí es donde se colocarían los electrones en igual número que los protones y girando en órbitas alrededor de éste. En otros experimentos se comprobó que la masa de los protones y electrones no coincidía con la masa total del átomo. Así, en 1932 el físico J. Chadwick descubrió la existencia de otras partículas llamadas neutrones. Los neutrones también explicaban algo fundamental: cómo pueden apiñarse todos los protones en un región tan pequeña a pesar de la enorme repulsión que debía existir entre las cargas? Gracias a los neutrones, que sin carga, tienen la función de estabilizar el átomo. 6.3 Modelo atómico de Bohr El físico Niel Bohr, partiendo del modelo de Rutherford e incorporando principios de la mecánica cuántica propuso un modelo con tres postulados fundamentales que se pueden resumir en: 1.- Los electrones giran en órbitas circulares de radios definidos, donde no se emite ni absorbe energía. 2.- En cada una de estas órbitas solo puede haber un número de electrones. 3.- Para que un electrón cambie de órbita a otra permitida, es necesario modificar su energía en una cantidad determinada (aparece la idea de cuantización de la energía) Después de estos estudios, se concluyó con un modelo atómica que diferencia en el átomo dos partes: 1) Núcleo: es muy pequeño pero tiene casi toda la masa del átomo. En su interior se encuentran los protones (p+) de carga positiva y los neutrones (n) sin carga eléctrica. 2) Corteza: donde se encuentran los electrones girando en órbitas alrededor del núcleo. En el modelo atómico actual se respeta esta idea, pero se acompaña de un modelo de orbitales. Es decir, se piensa que los electrones no describen órbitas definidas, sino que se encuentran distribuidos ocupando orbitales Un orbital es una región del espacio, en torno al núcleo, donde la probabilidad de encontrar un electrón con una determinada energía es altísima. 7.- NÚMERO ATÓMICO, MÁSICO Y MASA ATÓMICA Número atómico y número másico Número atómico: Indica el número de protones que un átomo tiene en su núcleo. Se representa por la letra Z. Este valor determina el elemento de que se trata. En un átomo neutro el número de protones y electrones coincide, por ello la Z también indicarán los electrones. En el sistema periódico los elementos están ordenados según la Z.

6 Número másico: es el número de partículas que un átomo tiene en su núcleo, por tanto indica la suma de protones más neutrones, se representa por la letra A. A= Z + N Es muy común que para especificar un átomo, se escriba de la siguiente manera.!!" Ej:!! Na!X (Ejercicios- apuntes de clase) Masa atómica Las masa de los átomos son cantidades muy pequeñas y no es práctico trabajar con ellas en las unidades del SI. Se establece entonces masas atómicas relativas, por comparación con la masa de un átomo patrón que se toma como unidad. En el sistema periódico aparece como dato esa masa atómica que expresa en unidades de masa atómica (u). Una unidad corresponde a Kg 1u= Kg 8.- LOS ELEMENTOS. CONCEPTO DE ISÓTOPO. Elementos: Actualmente se conocen 118 elementos, de los cuales 92 son naturales. Un elemento químico se identifica porque todos sus átomos tienen el mismo número atómico. De entre todos ellos, los que forman parte de la materia viva se llaman bioelementos, los más comunes son: C,O, H, N y P. También existen un gran número de elementos de gran interés tecnológico, forman parte de smartphones, tablets, ordenadores Isótopos: Se denominan isótopos a los átomos que tienen el mismo número atómico pero distinto número másico, es decir, tienen el mismo número de protones, pero distinto número de neutrones. Dos isótopos pertenecen siempre al mismo elemento químico. Según el número de los isótopos tendrán uno más masa que otro, por ello si un elemento tiene varios isótopos se toma como valor de su masa atómica el valor promedio de las masas de sus isótopos teniendo en cuenta la abundancia de cada uno de ellos. Por este motivo las masas de muchos elementos se expresan con números decimales. Por ejemplo, en la naturaleza el carbono se presenta como una mezcla de tres isótopos con números másicos 12, 13 y 14: 12 C, 13 C y 14 C. Sus abundancias respecto a la cantidad global de carbono son respectivamente 98,89 %, 1,11 % y trazas. ( más ejemplos- apuntes de clase)

7 9.- LA CORTEZA ATÓMICA. CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS La corteza: Está cargada negativamente ya que contiene los electrones. En un átomo neutro el número de electrones coincide con los protones. Ocupa casi todo el volumen del átomo pero a penas contiene masa ya que la masa de electrones es ínfima. Los electrones se sitúan en capas girando, a gran velocidad alrededor del núcleo en órbitas más o menos estéticas. A la manera de distribuirse los electrones en cada capa se le llama configuración electrónica. El número máximo de capas que puede tener un átomo es 7 y dependerá del número de electrones que dicho átomo tenga. En cada capa puede haber un número máximo de electrones que es 2, 8, 18, 32, 32, 32, 32 respectivamente Nº de capa subniveles nº máx. de e- Ejemplo: z=9 1s 2 2s 2 2p 5 =1s 2 2s 2 p 5 ( Más ejemplos- apuntes de clase) Llamamos capa de valencia de un átomo a la última capa que tiene ocupada. Llamamos electrones de valencia de un átomo al número de electrones de la última capa. Iones Los iones son átomos que han perdido o ganado electrones en su corteza electrónica. Pueden ser: Cationes: si un átomo neutro pierde electrones, queda con un exceso de carga positiva y se transforma en un ion positivo o catión. Aniones: si un átomo neutro gana electrones, adquiere un exceso de carga negativa y se transforma en un ion negativo o anión.

8 10.- LA TABLA PERIÓDICA. GRUPOS Y PERIODOS. PROPIEDADES PERIÓDICAS. El sistema periódico Durante el siglo XIX, aumentó espectacularmente el número de elementos conocidos, hecho que animó a los científicos a intentar ordenarlos y agruparlos en familias según sus propiedades. Tras varios intentos, los científicos D. Mendeleiev y J. L. Meyer propusieron ordenar los elementos en una tabla según el valor creciente de sus masa atómicas, sin embargo no organizaba las propiedades y era necesario dejar huecos. El problema quedó resuelto cuando el científico inglés H. Moseley propuso ordenar los elementos según valores crecientes de su número atómico; la posición de cada elemento en la tabla periódica quedaba así relacionada con su estructura atómica y ésta con las propiedades de los elementos. A partir de aquí se estableció el sistema periódico (SP) actual que consta de 7 filas o periodos y 18 columnas o grupos. En el SP, los elementos se ordenan según el valor creciente de la Z. Los elementos de un grupo tienen propiedades químicas similares. Estas propiedades están relacionadas con el número de electrones de valencia, es decir, con los situados en la última capa (capa de valencia). Todos los elementos de un mismo grupo tienen los mismos electrones de valencia. Todos los elementos de un mismo periodo tienen las mismas capas ocupadas.

9 De todos ellos: Hidrógeno y helio: son los más abundantes del universo. No metales: abundantes en la materia viva y en la atmósfera. Tienen tendencia a ganar electrones. Metales: los más numerosos pero en pequeñas cantidades. De todos los elementos del sistema periódico, aproximadamente las cuatro quintas partes son metales. Pero, en proporción son los menos abundantes. Tienen tendencia a perder electrones. Semimetales: los componentes de la era electrónica. Los elementos situados en la frontera entre los metales y lo no metales, tienen características propias. Los gases nobles: poseen átomos muy estables que no se combinan con otros átomos y no modifican su estructura electrónica. Curiosamente, todos ellos tienen 8 electrones en su último nivel, salvo el helio que tiene 2. De ello se deduce que la disposición electrónica característica de un gas noble es que es particularmente estable y se llama disposición del octeto (configuración electrónica del gas noble) Regla del octeto: los átomos, al unirse, intercambian electrones hasta adquirir 8 en su última capa.