UNIDAD 4: LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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1 UNIDAD 4: LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA ESTRUCTURA ATÓMICA. ISÓTOPOS. MODELOS ATÓMICOS. Recuerda que: - Un elemento es una sustancia pura cuyas partículas son idénticas y están formadas por átomos iguales. - Un compuesto es una sustancia pura cuyas partículas son idénticas y están formadas por átomos diferentes. - Según la teoría cinética, la materia está formada por partículas en continuo movimiento. 1. Teoría atómica de Dalton. La teoría atómica de Dalton se resume en los siguientes postulados: - Los elementos están formados por pequeñas partículas indivisibles e indestructibles llamadas átomos. - Los átomos de un mismo elemento son idénticos en su masa y propiedades; los átomos de elementos diferentes poseen masa y propiedades distintas. - Los átomos de los elementos se combinan para formar compuestos en proporciones dadas por números enteros sencillos. 2. El átomo por dentro. Partículas subatómicas. Recuerda que: - Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. - La unidad internacional de la carga eléctrica es el culombio (C) Cuando propuso su teoría atómica, Dalton postuló que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, a finales del siglo XIX, se comprobó que realmente no es así, sino que están formados por partículas más pequeñas El descubrimiento del electrón. Tras una larga investigación y con la contribución de diferentes científicos a lo largo de cuatro décadas se consiguió descubrir la existencia del electrón. Se construye un tubo de rayos catódicos, que consiste en un recipiente de vidrio, hecho al vacío y contiene dos placas metálicas, a las que se aplica un gran voltaje. Poco después se perfeccionó los tubos de rayos catódicos. Thomson calculó la relación entre la masa y la carga de la nueva partícula descubierta. Las partículas fueron bautizadas como electrones. Posteriormente, en el 1911, consiguieron calcular la carga del electrón, que resultó ser del orden de culombios El descubrimiento del protón. A finales del siglo XIX, una modificación de los tubos de rayos catódicos permitió el descubrimiento del protón, la partícula con carga positiva. 1

2 El estudio de estos rayos determinó que existía una partícula positiva con la misma carga que el electrón, y 1837 veces su masa y se bautizó con el nombre de protón El descubrimiento del neutrón. Además del electrón y el protón, existe en el átomo una tercera partícula, el neutrón. A diferencia de los anteriores, el neutrón no posee carga, de ahí su nombre. Con posterioridad se midió su masa, que resultó ser similar a la del protón Los datos actuales. Las evidencias experimentales, muestran que el átomo está compuesto por tres tipos de partículas: electrón, protón y neutrón. - Los electrones, que se simbolizan como e -, son partículas de masa muy pequeña en comparación con un protón o un neutrón, y de carga negativa. - Los protones, que se simbolizan con p +, son partículas cuya masa es aproximadamente 1840 veces mayor que la del electrón y tiene carga positiva, del mismo valor que el electrón. - Los neutrones, simbolizados por n, son partículas cuya masa es muy similar a la del protón, pero sin carga eléctrica, es decir, son neutros. 3. Los primeros modelos: Thomson y Rutherford El modelo de Thomson El modelo de Rutherford. El primer modelo de átomo fue elaborado por el propio Thomson, con los datos de que disponía. Thomson imaginó que el átomo es una esfera compacta, maciza, de carga positiva, en la cual se encuentran incrustados los electrones, de carga negativa. El conjunto es neutro, al compensarse mutuamente las cargas de signo contrario. El modelo de Thomson, de gran sencillez, se mantuvo a penas diez años. Rutherford realizó un experimento crucial para comprender la estructura del átomo. Bombardeó una delgadísima lámina de oro con partículas alfa, producidas al desintegrarse algunos elementos radiactivos. Observó que la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina sin desviarse, mientras que unas pocas eran dispersadas e incluso rebotadas. Dedujo de este experimento que los átomos están prácticamente vacíos, y que la carga positiva se concentra en una zona reducida, mientras que los electrones se sitúan en la periferia. Según Rutherford, el átomo tiene una parte central muy pequeña, positiva, llamada núcleo, en la que se concentra prácticamente toda su masa, alrededor del cual giran a gran velocidad los electrones con carga positiva, constituyendo la corteza del átomo. Como ambas partes, núcleo y corteza, compensan mutuamente sus cargas positiva y negativa, el conjunto es neutro 2

3 4. El modelo de Bohr. El átomo en la actualidad. El modelo de Bohr introduce las siguientes novedades: Existen algunas órbitas permitidas en las cuales los electrones mantienen su estabilidad, sin perder energía. Los electrones pueden pasar de unas órbitas a otras absorbiendo o emitiendo cantidades exactas de energía. Al modelo de Bohr le sucedieron otros que aportaron nuevos datos. De un modo sencillo el modelo actual del átomo se puede resumir así: - El átomo consta de un núcleo positivo y una corteza negativa situada a gran distancia de él. - En el núcleo del átomo se localizan los protones y los neutrones, unidos mediante poderosas fuerzas de atracción (llamadas fuerzas nucleares) que evitan que se repelan. - En la corteza se hallan los electrones, en un número igual que protones, girando a una velocidad próxima a la de la luz (aproximadamente kilómetros por segundo) en torno al núcleo, atraídos por fuerzas eléctricas debido a su carga negativa. - Los electrones se disponen en capas concéntricas, a distintas distancias del núcleo. Esas capas tienen mayor energía cuanto más lejos del núcleo se encuentra y se van ocupando por orden de proximidad a él. Los electrones pueden pasar de unas a otras emitiendo o absorbiendo energía. Ejercicios: 1. Resume las características de los distintos modelos del átomo que has estudiado. a) Modelo de Thomson b) Modelo de Rutherford c) Modelo de Bohr. 2. Escribe dos características relevantes de cada una de las partículas subatómicas que has estudiado. 3. Responde verdadero o falso, justificando tu respuesta atendiendo a la concepción actual del átomo: a) El núcleo de un átomo es neutro. b) Los electrones giran a gran velocidad en torno al núcleo. c) La corteza del átomo está cargada negativamente. d) Los electrones pueden colocarse a cualquier distancia del núcleo. e) El número de protones de un átomo es igual a su número de electrones. 5. Caracterización de los átomos. Número atómico, másico. Según Dalton, la masa de cada átomo es una característica que lo diferencia de los demás, por eso es importante conocer la masa de los átomos. Los átomos son partículas diminutas. Su masa es del orden de kg, que es una cifra muy pequeña. Por eso es necesario definir una nueva unidad para expresar la masa de los átomo: unidad de masa atómica (u.m.a. = u) Una unidad de masa atómica (u) equivale a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono, que tiene 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones. 1 u = 1, kg. 3

4 La masa de un átomo resulta de sumar las masas de las partículas que lo forman, es decir, la suma de las masas de protones y neutrones, ya que la masa del electrón es tan pequeña que casi ni la tenemos en cuenta. Concluyendo: Masa del protón = Masa del neutrón = 1 u. Ejemplo: El átomo de carbono tiene 6 electrones, 6 protones, y además 6 neutrones. Cuál será la masa del átomo de carbono? Masa del carbono es 12u. Masa atómica del carbono= Suma de Protones y Neutrones = 6 u + 6 u = 12u. NÚMERO ATÓMICO La identidad de átomo y sus propiedades, vienen dadas por el número de partículas que tienen y no por su masa, aunque existe una relación entre ellas. Lo que distingue unos átomos de otros es el número de protones de su núcleo, que se denomina número atómico. El número atómico (Z) es el número de protones que tiene un átomo en su núcleo. Todos los átomos del mismo elemento químico tienen el mismo número de protones, por tanto, el mismo número atómico. Como el átomo es neutro, el número de protones del núcleo y el de electrones de la corteza es el mismo. Por tanto, si conocemos el número atómico de un átomo, sabemos cuántos protones tiene y cuántos electrones tiene y sabemos de qué átomo se trata. Ejemplo: Un átomo tiene Z= 5 significa que su número atómico es 5, es decir que tiene 5 protones y además 5 electrones. Se trata del Boro. El número atómico y número másico se representa de la siguiente forma: Ejercicio Resuelto: 1. Averigua el número de protones, neutrones y electrones en cada caso: N 24 12Mg 11Na 20 10Ne N = Nitrógeno. Z=7, significa que hay 7 protones, y 7 electrones. A= Z+N = 14 llegamos a la conclusión que hay 7 neutrones. Mg= Magnesio. Z= 12. Hay 12 protones y hay 12 electrones. A=Z+N=24. Llegamos a la conclusión de que hay 12 neutrones. - Na=Sodio. Z=11, hay 11 protones y 11 electrones. A=23. A=Z+N= 23 entonces deducimos que hay 12 neutrones. Ne= Neón. Z=10. Hay 10 protones y 10 electrones. A=20. A=Z+N, deducimos que hay 10 neutrones. 4

5 2. Un átomo tiene 16 neutrones y 16 protones. Determina el número atómico y el número másico 16 neutrones N=16 16 protones Z=16 A= Z+N= =32u. 3. Completa en tu cuaderno la siguiente tabla para los elementos indicados: 7 Li Fe Elementos Ag Nº Atómico (Z) Nº Másico (A) Nº Protones p Nº electrones e Nº neutrones n Elemento nombre litio Hierro Plata 4. El átomo de potasio tiene 19 protones en el núcleo y un número másico igual a 39. a. Cuántos neutrones tiene? 20 neutrones b. Cuál es el número atómico? Z=19. c. Si el átomo es neutro, cuántos electrones tiene? 19 electrones porque tiene 19 protones. 6. Isótopos. Los isótopos, son átomos de un mismo elemento que tienen distinta masa. Por tanto, se trata con átomos con el mismo número atómico (número de protones) y diferente número másico. Así pues, los isótopos se distinguen por el número de neutrones que tienen en sus núcleos. Es habitual que los elementos presenten varios isótopos, si bien en un número limitado. No olvides que: todos los átomos de un mismo elemento tienen el mismo número de protones. Lo que sí pueden tener diferente es el número de neutrones. Fíjate en el ejemplo siguiente: H 1 H 1 H Un ejemplo de tres isótopos del hidrógeno. Ejercicio Resuelto: El cloro posee dos isótopos naturales: el cloro-35 y cloro-37. Sabiendo que Z=17, escribe cómo se representa cada isótopo Cl 17Cl a) qué tienen en común ambos isótopos? El mismo número de protones. (Y electrones) b) En qué se diferencian? Distinto número másico, es decir distinto número de neutrones. 7. Agrupaciones de átomos. Los átomos suelen presentarse en la naturaleza formando combinaciones o agrupaciones, para dar lugar a los millones de sustancias puras que conocemos. De esta manera consiguen una mayor estabilidad. 2

6 Los átomos se agrupan formando combinaciones más estables que los átomos por separado. Las uniones entre los átomos se denominan enlaces. Los enlaces determinan las propiedades de las sustancias que forman y pueden ser de tres tipos: iónicos, covalentes y metálicos. IONES Entre las agrupaciones de átomos destacan las partículas con carga eléctrica o iones, que desempeñan un papel importante en numerosos procesos químicos. Un ion es un átomo o una agrupación de átomos que tiene carga eléctrica neta distinta de cero. Si la carga es positiva, se le da el nombre de catión; si la carga es negativa, se llama anión. En un ion, el número de electrones y de protones no es el mismo. Esta descompensación, es la que da lugar a la carga del ion: un catión tiene menos electrones que protones, mientras que un anión posee más electrones que protones. Ejemplo: El átomo de sodio (Na) posee un único electrón en su capa más externa; tiene tendencia a ceder ese electrón, convirtiéndose 3