C U R S O: QUÍMICA COMÚN MATERIAL QC N 01 PARTÍCULAS SUBATÓMICAS ELECTRONES Partícula subatómica de carga negativa. Se ubica fuera del núcleo y su masa es de aproximadamente 9,11 10-28 gramos. La cantidad de electrones en el último nivel de energía de un átomo, indica su posición en el sistema periódico, sus características químicas y su reactividad. PROTONES Carga positiva igual en magnitud a la carga de electrón. Se encuentra en el núcleo del átomo y su masa es de 1,6 10-24 gramos. Es casi unas 1840 veces más pesada que el electrón. El número de protones (número atómico) individualiza y define a un átomo. NEUTRONES Partícula eléctricamente neutra, de masa similar a la del protón y componente fundamental del núcleo atómico. Descubierta en 1932 por el físico inglés James Chadwick, estudiando la radiación emitida por el berilio al ser bombardeado con partículas alfa.
INTRODUCCIÓN La química es la ciencia que estudia la composición de la materia y los cambios que en ella ocurren. Durante el siglo V a.c., el filósofo griego Demócrito junto con su maestro Leucipo plantearon que el universo y todo aquello que en él se encuentra está formado por una partícula común e indivisible a la que llamaron átomo (del griego a=sin y tomos=división). La escuela de Aristóteles, en cambio planteaba la continuidad de la materia y explicaba al universo considerando 4 elementos (Tierra, Aire, Fuego y Agua) como formadores de la naturaleza. Las ideas de Demócrito y Leucipo sólo tuvieron eco cuando en 1808 John Dalton plantea los primeros esbozos de lo que sería la Teoría atómica, con gran repercusión en la comunidad científica. POSTULADOS ATÓMICOS Toda la materia está formada por átomos. Los átomos son partículas indivisibles Los cambios químicos corresponden a una combinación, separación o reordenamiento de átomos. Teoría Atómica de Dalton Los átomos que forman los compuestos están en una relación de números enteros y sencillos. Los átomos que forman los compuestos son de dos o más clases diferentes. Los átomos de un mismo elemento son de la misma clase y tienen igual masa. Hasta entonces se había creído que los átomos eran partículas indivisibles, pero en realidad, pronto surgieron muchas interrogantes que hicieron pensar que la estructura atómica no podía ser tan sencilla como suponía la teoría de Dalton. 2
DESCUBRIMIENTO DE LOS ELECTRONES En 1879, Williams Crookes observó que en los tubos o bombillas de descarga se generaban rayos de naturaleza eléctrica cuando se aplicaban altos voltajes sobre electrodos. La intensidad de la luminosidad y su color dependían de la descarga eléctrica y la naturaleza del gas dentro del tubo. Propiedades y efectos de los rayos catódicos Los rayos catódicos salen del cátodo perpendicularmente a su superficie y en ausencia de campos eléctricos o magnéticos se propagan en forma rectilínea. Son desviados por un campo eléctrico, desplazándose hacia la parte positiva del campo. Son repelidos por el polo negativo de un campo eléctrico. Producen efectos mecánicos; la prueba de ello es que pudieron mover un molinete de hojas de mica que se interpuso en su trayectoria. Transforman energía cinética en energía térmica, elevando la temperatura de los objetos que se oponen a su paso. Impresionan placas fotográficas. Excitan la fluorescencia de algunas sustancias, como el vidrio o el sulfuro de cinc. Ionizan el aire que atraviesan. 3
El físico inglés Joseph Thomsom, señaló que los rayos catódicos estaban formados por pequeñas partículas de carga eléctrica negativa. Aclaró además, que las características de los rayos catódicos no obedecían al tipo de material de los electrodos, ni del gas que contenía el tubo, debido a esto eran constituyentes de todos los átomos. Denominó electrones a las partículas negativas que componían a los rayos catódicos. Sin embargo, a Thomsom le fue imposible medir y calcular en forma exacta la masa y carga del electrón, a pesar de ello, pudo establecer una relación entre ambas. Carga/masa = - 1,76 10 8 C/g En 1907 Robert Millikan determinó el valor la carga del electrón mediante la observación de gotas de aceite suspendidas en un campo eléctrico. La masa del electrón se pudo calcular entonces empleando los resultados de los experimentos de Thomsom y de Millikan. ELECTRÓN LOS PROTONES CARGA (Coulomb) MASA (u.m.a) MASA (Gramos) -1,6022 10-19 1/1837 9,11 10-28 Si la carga negativa (rayo catódico) proviene de un gas eléctricamente neutro, es lógico pensar que simultáneamente debe existir una descarga de partículas positivas que otorgue neutralidad al gas en estudio. Eugen Goldstein, utilizando un cátodo perforado, descubre un haz visible que se desplazaba de polo positivo a negativo: LOS RAYOS CANALES. En sus experimentos con gases en tubos de descarga con cátodos perforados, Goldstein descubrió que además del haz de electrones, se producía una radiación de partículas positivas en dirección opuesta, que lograban atravesar el cátodo perforado. 4
Ánodo Rayos catódicos (-) Rayos canales (+) Cátodo perforado Electrón Vacío Gas Catión Investigando la desviación de las partículas positivas con un campo magnético, encontró que la masa de ellas no era constante, vale decir, diferentes gases generaban partículas positivas de masa distinta (rayos canales). Así aquellas partículas más livianas de los rayos canales correspondían al elemento de masa menor, el hidrógeno. Otro dato muy importante es que la carga de los rayos canales era exactamente la misma, en valor absoluto, que la de los rayos catódicos, a pesar de la enorme diferencia de sus masas PROTÓN CARGA (Coulomb) MASA (u.m.a) MASA (Gramos) +1,6022 10-19 1 1,6725 10-24 Los experimentos realizados en los tubos de descarga eléctrica de Crookes, demostraron que el átomo no era la partícula más pequeña de la materia, como suponía John Dalton, sino que estaba formado por dos tipos de partículas: los electrones y los protones. A mediados de 1920, el científico inglés Ernest Rutherford observó que la suma de las masas de los electrones y protones en un átomo era bastante menor a su masa total, casi la mitad del valor observado. Intentando aclarar los resultados obtenidos postula lo siguiente: Existe aparentemente una nueva partícula subatómica el NEUTRÓN. Esta partícula posee carga eléctrica cero (es neutra) puesto que no fue detectada en los experimentos con tubos de descarga. Posee una masa similar a la del protón y se encuentra situada en el núcleo del átomo. CARGA (Coulomb) MASA (u.m.a) MASA (Gramos) 0 1 1.67495 10-24 Posteriormente en 1932 James Chadwick, notable físico inglés, detectó esta partícula subatómica en sus estudios nucleares con átomos de berilio. Con estos nuevos elementos aclaratorios, el trabajo científico se centró en establecer formalmente un modelo que permitiese ilustrar la conformación del átomo, es decir, la forma o disposición de protones y electrones en él. 5
GLOSARIO Átomo: Partícula unitaria fundamental de la materia. Electrolisis: Método de separación de los componentes elementales en un compuesto por aplicación de corriente eléctrica. Electrón: Partícula subatómica con carga eléctrica negativa, de masa casi despreciable y componente fundamental de todos los átomos. Fluorescencia: Propiedad de ciertos compuestos que emiten luz cada vez que son expuestos a algún tipo de radiación (rayo catódico por ejemplo). Materia: Moléculas: Todo aquello que tiene masa y ocupa lugar en el espacio. Grupo de átomos unidos químicamente entre sí. Neutrón: Partícula subatómica presente en el núcleo atómico, de masa similar a la del protón. Protón: Partícula subatómica con carga eléctrica positiva, presente en todos los átomos de la naturaleza. Radiactividad: Fenómeno natural o artificial en donde algunas sustancias o elementos químicos (radionuclidos) emiten radiaciones desde el núcleo debido fundamentalmente a su inestabilidad. Rayos canales: Haz de rayos compuesto por partículas con carga eléctrica positiva. Rayos catódicos: Corriente de electrones observados en un tubo de descarga eléctrica a baja presión. 6
TEST EVALUACIÓN MÓDULO 01 1. A la luz de los conocimientos actuales respecto de los átomos, Cuál de las siguientes afirmaciones es incorrecta? A) El protón tiene carga eléctrica positiva. B) El neutrón es una partícula subatómica. C) El átomo es una estructura indivisible. D) Todos los átomos presentan un núcleo con carga eléctrica positiva. E) La masa del electrón comparada con la del protón es despreciable. 2. Cuál de las siguientes parejas de partículas y radiaciones NO se desvía cuando interacciona con un campo eléctrico externo? A) Protón y Neutrón B) Neutrón y Electrón C) Fotón y Electrón D) Electrón y Protón E) Rayo X y Neutrón 3. Respecto de las especies químicas denominadas Cationes, es cierto que A) no presentan masa ni energía cinética. B) en un campo eléctrico viajan al polo positivo. C) presentan mayor número de protones que de electrones. D) son átomos o especies químicas con un exceso de electrones. E) son radiaciones electromagnéticas sin carga eléctrica ni masa calculada. 4. En un tubo de descarga eléctrica al electrodo negativo se le denomina A) catión. B) anión. C) ánodo. D) cátodo. E) positrón. 5. Los rayos canales poseen I) carga eléctrica. II) energía. III) masa. De las anteriores es (son) correcta(s) A) sólo I. B) sólo II. C) sólo I y II. D) sólo I y III. E) I, II y III. 7
6. Para una especie química aniónica, siempre debe cumplirse que A) Nº electrones > Nº protones. B) Nº neutrones < Nº electrones. C) Nº protones > Nº neutrones. D) Nº electrones < Nº protones. E) Nº electrones = Nº protones. 7. Protones y Neutrones... A) son partículas subatómicas. B) se componen de fotones. C) orbitan alrededor del núcleo. D) tienen menos masa que los electrones. E) presentan la misma carga eléctrica. 8. Si un átomo cualquiera presenta 8 protones, 8 neutrones y 8 electrones, entonces es correcto afirmar que A) Sólo I. B) Sólo III. C) Sólo I y II. D) Sólo I y III. E) I, II y III. I) se comporta como un anión. II) tiene 16 partículas subatómicas. III) presenta 16 partículas en el núcleo. 9. Para que un átomo se considere eléctricamente neutro debe cumplirse que A) no debe presentar neutrones. B) el número de protones debe ser par. C) el número de electrones y protones debe ser el mismo. D) electrones y protones se deben ubicar en el núcleo. E) la cantidad de protones y neutrones debe ser la misma. 10. Un átomo neutro presenta igual cantidad de protones y neutrones y entre ambas partículas suman 20 unidades. Considerando lo anterior, es correcto asegurar que la(el) A) Sólo I. B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo II y III. E) I, II y III. I) cantidad de electrones es 20. II) átomo tiene 20 partículas subatómicas. III) suma de protones y electrones es de 20 unidades. Puedes complementar los contenidos de esta guía visitando nuestra web http://www.pedrodevaldivia.cl/ 8 DMON-QC01