Poco después el científico estadounidense Millikan midió la masa y la carga del electrón.

Transcripción

1 UNIDAD 8. SISTEMA PERIÓDICO Y ENLACE REPASO El átomo: de Demócrito a Dalton El filósofo griego Leucipo y su discípulo Demócrito defendieron, en los siglos V y IV a. C., la teoría atomista, según la cual la materia está formada por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos, pero por esa misma época otros filósofos griegos, como Platón y Aristóteles, apoyaron la teoría según la cual la materia es algo continuo que se puede dividir en parte más pequeñas hasta el infinito. Dado el mayor prestigio de estos últimos, sus teorías se tomaron como ciertas hasta finales del siglo XVIII, cuando científicos como el francés Lavoisier y el británico Dalton demostraron, con una serie de experiencias realizadas en sus laboratorios, que la materia estaba formada por átomos. La teoría atómica de Dalton se resume en los siguientes enunciados: La materia está formada por átomos, que son partículas muy pequeñas e indivisibles. Todos los átomos de un mismo elemento químico son iguales entre sí en masa y en propiedades, y distintos de los átomos de cualquier otro elemento. Los compuestos se forman por combinaciones de átomos de distintos elementos. Descubrimiento de las partículas que forman el átomo La teoría de Dalton, que consideraba los átomos como partículas indivisibles, fue superada al observar que, en determinadas situaciones, la materia presenta propiedades eléctricas. Se hicieron experiencias que relacionaron las propiedades eléctricas de la materia con la existencia en el interior de los átomos de otras partículas más pequeñas responsables del comportamiento eléctrico. Thomson realizó experiencias en tubos de descarga y encontró que en los átomos de los elementos químicos existe una partícula con carga eléctrica negativa, a la que denominó electrón. En el interior de todos los átomos hay una o más partículas cargadas negativamente, a las que se llamó electrones. Poco después el científico estadounidense Millikan midió la masa y la carga del electrón. Como la materia solo muestra sus propiedades eléctricas en determinadas condiciones, debemos pensar que es neutra. Si los átomos tienen partículas con carga negativa, también deben poseer partículas con carga positiva, de tal manera que cada átomo tenga tantas partículas positivas como negativas. Posteriores experiencias permitieron al científico Rutherford descubrir el protón, partícula que tiene la misma carga que el electrón, pero positiva, mientras que su masa es mayor. Finalmente, el científico Chadwick descubrió que en los átomos había una tercera partícula que no tenía carga eléctrica, pero cuya masa era similar a la del protón, a la que llamó neutrón. Hoy día sabemos que en el átomo hay otras partículas más pequeñas, llamadas quarks, que forman los protones y los neutrones. Modelos atómicos Después de demostrar que el átomo estaba formado por otras partículas más pequeñas, en contra de lo que suponía Dalton, los científicos diseñaron modelos atómicos y realizaron experiencias para comprobarlos. Los resultados de algunas de ellas demostraron que los modelos no eran adecuados y fueron modificados. 1

2 El modelo de Thomson Dado que los átomos tenían una masa mucho mayor que la de los electrones, Thomson supuso que la carga positiva debía ocupar mucho más espacio. Según Thomson, el átomo debía ser como una gran masa de carga positiva, e incrustados en ella, debían estar los electrones. La carga negativa de los electrones compensaba la carga positiva, para que el átomo fuera neutro. LA EXPERIENCIA DE LA LÁMINA DE ORO Para comprobar si el modelo de Thomson era cierto, científicos colaboradores de Rutherford diseñaron una experiencia aprovechando algunos descubrimientos que se habían hecho sobre la radiactividad. En el interior de un bloque de plomo se hizo una cavidad con una salida al exterior en la que se colocó el material radiactivo que producía los rayos alfa (mineral de uranio). Todos los rayos que no tuviesen la dirección del orificio de salida serían absorbidos por el plomo de modo que a la lámina de oro llegasen unos rayos procedentes directamente del material radiactivo. Realizada la experiencia, se obtuvieron los siguientes resultados: La mayoría de las partículas alfa atravesaba la lámina de oro sin desviarse. Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina, pero sufrían una leve desviación. Una de cada partículas alfa rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacia atrás. El modelo de Rutherford El resultado de la experiencia de la lámina de oro sorprendió a los científicos, que no podían explicar que algunas partículas alfa, al chocar a gran velocidad contra la finísima lámina, salieran rebotadas. Para Rutherford esto solo se podía explicar si la carga positiva, en lugar de estar distribuida por todo el átomo, está concentrada en una parte muy pequeña. De esta forma, cuando las partículas alfa chocan contra ese punto del átomo en el que se concentra la carga positiva, la repulsión entre las cargas del mismo signo hace que salgan rebotadas. 2

3 Según Rutherford, el átomo está formado por un núcleo muy pequeño y una corteza. En el núcleo está concentrada toda su carga positiva y casi toda su masa. En la corteza están los electrones girando alrededor del núcleo. El modelo de Bohr El científico danés Bohr realizó una serie de estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran alrededor del núcleo describiendo solo determinadas órbitas circulares. Así, los electrones en el átomo se organizan en capas denominadas niveles de energía y, a medida que estos niveles se van llenando, los electrones se van situando en niveles superiores. El modelo actual Fue establecido por Schrödinger y sustituye la idea de que el electrón se sitúa en determinadas capas o niveles de energía por la probabilidad de encontrar al electrón en una determinada región del espacio: orbital. Un orbital es una región del espacio en la que existe la máxima probabilidad de encontrar al electrón. 1. La constitución del átomo El átomo es una estructura con un núcleo, donde se encuentran los protones y los neutrones, y una corteza, en la que se sitúan los electrones. Para representar los átomos de un elemento se utiliza un símbolo y dos números: Z X. El símbolo es la inicial del nombre latino del elemento y va seguido de otra letra en los casos en que hay varios elementos con la misma inicial. El número atómico, Z, indica el número de protones. El número másico, A, indica el número de protones más el número de neutrones. En un átomo neutro, el número de protones coincide con el de electrones. Todos los átomos de un mismo elemento químico tienen el mismo número de protones, pero se pueden diferenciar en el número de neutrones. Se llaman isótopos los átomos que tienen el mismo número de protones y se diferencian en el número de neutrones. Tienen, por tanto, el mismo número atómico y diferente número másico. Frecuentemente, cuando los átomos de distintos elementos se unen para formar compuestos, lo hacen ganando o perdiendo electrones. Cuando esto ocurre, los átomos dejan de ser neutros y pasan a tener carga, convirtiéndose en iones. Cuando un átomo pierde electrones, adquiere carga positiva y se convierte en un ion positivo o catión. Cuando un átomo gana electrones, adquiere carga negativa y se convierte en un ion negativo o anión. 3

4 2. Los elementos químicos Cuando los átomos se unen pueden dar lugar a: Elementos: son sustancias formadas por un único tipo de átomos. Compuestos: son sustancias que resultan de la agrupación de átomos de distintos elementos. Los elementos químicos que conocemos hoy en día se han ido descubriendo poco a poco y, a medida que aumentó el número de elementos conocidos se hizo necesario clasificarlos agrupando aquellos que tenían propiedades comunes. El criterio de clasificación ha ido cambiando también a lo largo de la historia. Hasta comienzos del siglo XIX los elementos se clasificaron basándose en el aspecto y en las propiedades físicas. Se establecieron dos grupos: metales y no metales. En 1829, Dobëreiner los ordenó según sus masas atómicas y observó la existencia de grupos de tres elementos (tríadas) con propiedades similares. Sólo encontró tres: Ca, Sr, Ba; Cl, Br, I y S, Se, Te. En 1864 Newlands ordenó también los elementos según sus masas y comprobó que cada ocho elementos (octavas) se repetían las propiedades. Los dispuso en columnas verticales de siete, de forma que los que tenían propiedades parecidas tendían a quedar en la misma fila horizontal. En 1869, Mendeleiev publicó la primera tabla de los elementos químicos. Al igual que Newlands, los ordenó por sus masas atómicas; los agrupó según sus propiedades en filas y columnas pero dejó huecos en aquellos lugares que no correspondían con las propiedades de ninguno de los elementos conocidos. La llamó tabla periódica de los elementos porque las propiedades se repetían cada cierto número de elementos. Cuando en 1895 Ramsay aisló el argón y el helio, como no presentaban ninguna propiedad de tipo químico, se decidió formar un nuevo grupo, que hoy conocemos como el de los gases nobles. En 1914, Moseley demostró que es el número atómico el que responde a las propiedades químicas de los elementos. Así, en la tabla periódica actual los elementos se ordenan en orden creciente de sus números atómicos y, tal como había previsto Mendeleiev, los elementos de una misma columna presentan propiedades semejantes Clasificación de los elementos: metales, no metales y gases nobles La clasificación más sencilla que se hace de los elementos químicos es como metales, no metales y gases nobles. PROPIEDADES DE LOS METALES Tienen un brillo característico que se denomina brillo metálico. Conducen bien el calor y la electricidad. Son dúctiles (se estiran en hilos) y maleables (forman láminas). Excepto el mercurio, que es líquido, son sólidos a temperatura ambiente y funden a alta temperatura. Tienden a perder electrones y formar iones positivos. PROPIEDADES DE LOS NO METALES Son malos conductores del calor y la electricidad. A temperatura ambiente pueden ser sólidos (azufre), líquidos (bromo) o gases (flúor). La mayoría de los sólidos son blandos. La temperatura de fusión para la mayoría de los sólidos es baja, y también la de ebullición para los líquidos. Suelen captar electrones formando iones negativos. 4

5 PROPIEDADES DE LOS GASES NOBLES Se encuentran como átomos aislados. Son gases a temperatura ambiente. Son muy estables desde el punto de vista químico, no forman compuestos. No ganan ni pierden electrones, no forman iones. 3. El sistema periódico de los elementos 3.1. Configuración electrónica de los elementos En el átomo los electrones se distribuyen, alrededor del núcleo, en determinados niveles que tienen distinta energía y se denominan niveles energéticos. El nivel de menor energía es el que está más próximo al núcleo y, desde ahí, la energía aumenta hasta llegar al exterior. En la corteza de los átomos existen hasta siete niveles energéticos que se designan con un número (o una letra) según su proximidad al núcleo, y en cada nivel energético se diferencian, a su vez, distintos subniveles, también llamados orbitales, que se identifican con las letras s, p, d y f. Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo de un átomo siguiendo ciertas normas: 1. Los electrones van ocupando los orbitales en orden creciente de energía, empezando por los de menor energía, que son los más cercanos al núcleo. 2. En cada orbital solo puede haber dos electrones. 3. Cuando se llenan orbitales de la misma energía (3 orbitales p, 5 orbitales d o 7 orbitales f) primero se coloca un electrón en cada uno de los orbitales y, cuando todos tienen uno, se coloca el segundo. El objetivo es que exista el mayor número de electrones girando en el mismo sentido, pues esta es la configuración más estable. Para recordar el orden de llenado de los orbitales se aplica la regla de las diagonales o diagrama de Moeller. A partir de las configuraciones electrónicas de los elementos vamos a poder obtener una serie de datos sobre los mismos, como pueden ser, su situación en la tabla periódica, el carácter metálico o no metálico y el tipo de ion que tiene tendencia a formar. 5

6 3.2. La tabla periódica La distribución de los elementos químicos en la tabla periódica viene determinada por su configuración electrónica, esto es, la forma en que se distribuyen los electrones en la corteza del átomo. En la tabla periódica actual los elementos están distribuidos en 7 filas, llamadas periodos, y 18 columnas, llamadas grupos. Todos los elementos del mismo periodo tienen sus últimos electrones en el mismo nivel, cuyo número coincide con el número del periodo. Todos los elementos del mismo grupo tienen propiedades químicas parecidas y su configuración electrónica termina de la misma forma. En función de cuál es el último nivel ocupado se agrupan también en bloques. Bloque s: Grupos 1 y 2 (alcalinos y alcalino-térreos), tienen su último electrón (electrón diferenciador) en el orbital s. Bloque d: Grupos 3 al 12 (elementos de transición), su electrón diferenciador ocupa un orbital d. Bloque p: Grupos 13 al 18, su último electrón se encuentra en un orbital p. Bloque f: Lantánidos y actínidos (elementos de transición interna), su último electrón ocupa un orbital f. Dado un determinado elemento de número atómico Z=17, hacemos su configuración electrónica y vemos qué información podemos obtener a partir de ésta. 17Cl 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 - El periodo en que se encuentra coincide con el número de capas ocupadas, esto es, 3. - El grupo depende de dónde se sitúe le electrón diferenciador (el último). Si el electrón diferenciador se coloca en un orbital s, el número del grupo coincide con el número de electrones que haya en ese orbital (s 1 grupo 1 o s 2 grupo 2). Si el electrón diferenciador se encuentra en un orbital p, el número del grupo se obtiene sumando 12 (2 grupos del bloque s y 10 grupos del bloque d) al número de electrones que haya en el orbital p. Si el electrón diferenciador se encuentra en un orbital d, el número del grupo se obtiene sumando 2 (2 grupos del bloque s) al número de electrones que haya en el orbital d. Si el electrón diferenciador se encuentra en un orbital f, para determinar el grupo miramos en qué periodo se encuentra. Si está en el periodo 6 diremos que está en el grupo de los lantánidos y si está en el periodo 7, pertenece al grupo de los actínidos. 6

7 CRISTALINOS MOLECULARES Física y Química 4º ESO 4. Agrupación de los elementos para formar los compuestos Todos los procesos que ocurren en la naturaleza lo hacen de forma que se alcance la máxima estabilidad. En la naturaleza solo los elementos del grupo 18 del sistema periódico tienen una configuración estable y sus átomos casi nunca se combinan con otros átomos, por lo que se denominan gases nobles. Esto no sucede con los demás elementos químicos, cuyos átomos aparecen casi siempre combinados con otros para conseguir obtener la configuración de los gases nobles. Se denomina enlace químico entre átomos a la unión que los mantiene unidos, formando compuestos químicos, que son más estables que los átomos por separados Pueden ser de tres tipos: iónico, covalente y metálico Enlace iónico El enlace iónico se produce cuando se combinan un metal y un no metal. El metal tiende a ceder electrones para alcanzar la configuración de gas noble (convirtiéndose en un catión) y el no metal tiende a captar electrones (convirtiéndose en un anión). PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS IÓNICOS A temperatura ambiente son sólidos cristalinos. Tienen altos puntos de fusión y de ebullición. Son duros y frágiles. Son solubles en agua. No conducen la electricidad en estado sólido, pero sí lo hacen cuando están fundidos o en disolución Enlace covalente El enlace covalente tiene lugar entre elementos no metálicos que comparten electrones para adquirir una configuración electrónica más estable. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS COVALENTES A temperatura ambiente la mayoría son gases, como el cloro; los hay también líquidos, como el agua y el etanol, e incluso algunos sólidos, como el azufre y el yodo. En el caso de los sólidos tienen bajos puntos de fusión y de ebullición. Son blandos y elásticos. No conducen la electricidad. Los compuestos polares (agua, amoniaco, ) disuelven a los polares y los apolares (yodo, tetracloruro de carbono, ) disuelven a los apolares. A temperatura ambiente son sólidos. Tienen puntos de fusión y de ebullición muy altos. Son duros y frágiles. A excepción del grafito, no son conductores de electricidad y tampoco son buenos conductores del calor. Prácticamente son insolubles en cualquier tipo de disolvente Enlace metálico El enlace metálico tiene lugar entre metales, que se desprenden de sus electrones de valencia y forman cationes que se rodean de ese mar de electrones, evitando de esta forma la repulsión entre los iones positivos. 7

8 PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS METÁLICOS A excepción del mercurio, que es líquido, todos son sólidos a temperatura ambiente. Tienen altos puntos de fusión y de ebullición. Tienen una dureza intermedia y son dúctiles y maleables. Son insolubles en los disolventes ordinarios. Son excelentes conductores del calor y de la electricidad. 8

9 9