TEMA 4 LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA. EL ÁTOMO. 1
1- PRIMERAS CONCEPCIONES DEL ÁTOMO 2- TEORÍAS ATÓMICAS Teoría atómica de Dalton Modelo atómico de Thomson Modelo atómico de Rutherford Modelo atómico de Bohr El modelo actual:llamado mecánico-cuántico 3- ESTRUCTURA DEL ÁTOMO 4- IDENTIFICACIÓN DE ÁTOMOS 5- IONES 6. ISÓTOPOS 6.1- MASA ATOMICA. 7- CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA 2
1- PRIMERAS CONCEPCIONES DEL ÁTOMO La primera referencia al átomo como límite indivisible de la materia la encontramos en Grecia con Leucipo. Pero el que realmente desarrolló esta idea fue Demócrito, quien basó gran parte de su obra en la convicción de que cualquier sustancia podía dividirse hasta un límite, siendo imposible dividir más allá. De ahí el origen de la palabra átomo ( sin partes). Demócrito nació en el siglo V a.c en Abdera, y desde que era bien joven muchos le tomaron como un loco por sus ideas poco comunes. Estaba obsesionado con la idea de que dividiendo una gota de agua cada vez en partes más pequeñas se obtendrían cada vez gotas más pequeñas. Pero qué pasaría si llegase un punto en el que fuera imposible continuar con la división? Tomando el pensamiento de su maestro Leucipo, Demócrito supuso la existencia del átomo como parte indivisible de la materia, y además sentenció que existían distintos tipos de átomos que al combinarse de formas y con ordenaciones distintas formaban las distintas sustancias existentes. También supuso que cuando la madera ardía o el hierro se oxidaba, las partículas que formaban tanto la madera como el hierro se reordenaban para convertirse en cenizas y herrumbre respectivamente 2- TEORÍAS ATÓMICAS Teoría atómica de Dalton En 1808, John Dalton propone una teoría atómica para explicar las leyes ponderales (leyes que se refieren al peso de las sustancias). Consta de los siguientes postulados: 1. La materia está formada por átomos, que son partículas es independientes, esféricas, macizas, inalterables e indivisibles. 2. Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y propiedades. 3. Los átomos de distintos elementos son diferentes en masa y propiedades. 4. Los compuestos se forman por la unión de átomos de los elementos en una relación de números enteros sencillos. Modelo atómico de Thomson El descubrimiento de las partículas elementales termina con el concepto de átomo como partícula indivisible. El electrón fue la primera partícula subatómica en descubrirse. En 1898, J.J. Thomson propone su modelo para explicar la existencia de los electrones. Este modelo considera que el átomo es una esfera de carga positiva que tiene incrustadas tantas pequeñas partículas de carga negativa (los electrones) como sean necesarias para neutralizar la carga positiva. 3
Por su forma, este modelo recibió el nombre de pastel de pasas. Posteriormente se descubrió el protón (Goldstein) y más tarde el neutrón (Chadwick) (1932). Modelo atómico de Rutherford En 1911, Ernest Rutherford propone un experimento que consiste en bombardear una lamina muy delgada de oro con partículas α. El resultado del experimento fue el siguiente: casi toda la radiación atravesaba el pan de oro en línea recta; una pequeña parte de la radiación se desviaba; incluso unas pocas rebotaban. Para explicar estos resultados supuso lo siguiente: La materia está prácticamente hueca. Y está constituida por una parte central muy pequeña, con toda la carga positiva,y casi toda la masa material, a la que denominó núcleo. Por otra parte, los electrones se mueven describiendo órbitas en torno al núcleo, ocupando un espacio relativamente grande. A esta zona la denominó corteza. El átomo se puede considerar como un pequeño sistema planetario, en el que los electrones (-) giran alrededor del núcleo (+) 4
Modelo atómico de Bohr El físico danés Niels Bohr realizó una serie de estudios de los que dedujo que los electrones de la corteza giran alrededor del núcleo describiendo sólo determinadas órbitas circulares. En el átomo, los electrones se organizan en capas y, en cada capa tendrán una cierta energía, llenando siempre las capas inferiores y después las superiores. En la siguiente escena puede observarse la representación de algunos átomos de los elementos de la tabla periódica con este modelo: La distribución de los electrones en las capas se denomina configuración electrónica y se realiza de la siguiente manera: La 1ª capa puede contener, como máximo, 2 electrones. La 2ª capa puede contener, como máximo, 8 electrones. Comienza a llenarse una vez que la 1ª ya está completa. La 3ª capa puede contener, como máximo, 18 electrones. Comienza a llenarse una vez que la 2ª capa ya está completa. Se representa por números separados por comas y entre paréntesis. Por ejemplo, el átomo de sodio tiene 11 electrones; por tanto, 2 llenan la 1ª capa, 8 quedan en la 2ª capa y el último electrón quedaría en la 3ª capa. La representación es: (2,8,1). 5
PRÁCTICA Más adelante ampliaremos el concepto de configuración electrónica, de momento, dibujemos algunos átomos y escribamos también cuál sería su configuración: Átomo de sodio (11 protones y 12 neutrones) Átomo de carbono (6 protones y 6 neutrones) El modelo actual:llamado mecánico-cuántico Aquí se sustituye la idea de que el electrón se sitúa en determinadas capas de energía por la de orbital: zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrón es máxima. 3- ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Como resultado de todas las investigaciones, el átomo está constituido como sigue: Una zona central o núcleo donde se encuentra el total de la carga positiva (protones), y la mayor parte de la masa del átomo (protones + neutrones). El número de protones es fijo para todos los átomos de un mismo elemento. El número de neutrones puede variar. Una zona externa o corteza, donde están los electrones, que giran al rededor del núcleo. Hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro. 6
EJERCICIO 1- EVOLUCIÓN DEL MODELO ATÓMICO: Redacta cómo ha sido la evolución del modelo atómico, basándote en lo estudiado y en los dibujos que se muestran. 7
EJERCICIO 2- Completa el esquema sobre la estructura atómica, las partículas subatómicas y sus características y descubridores: EJERCICIO 3- En la siguiente tabla se muestran las características de las partículas subatómicas, observa sus valores y contesta a las preguntas siguientes: a) Cuantas veces es mas grande la masa del proton que la del electron? b) Un atomo de oxigeno tiene 8 protones y 9 neutrones. 1. Cuantas particulas tiene en el nucleo? 2. Cuantos electrones tiene en la corteza? 3. Dibuja este atomo segun el modelo de Bohr 8
4- IDENTIFICACIÓN DE ÁTOMOS La identidad de un atomo y sus propiedades vienen dadas por el numero de particulas que contiene. Lo que distingue a unos elementos quimicos de otros es el numero de protones que tienen sus atomos en el nucleo. Este numero se llama Numero atomico y se representa con la letra Z. Se coloca como subindice a la izquierda del simbolo del elemento correspondiente. El Numero masico nos indica el numero total de particulas que hay en el nucleo, es decir, la suma de protones y neutrones. Se representa con la letra A y se situa como superindice a la izquierda del simbolo del elemento. Representa la masa del atomo medida en uma, ya que la de los electrones es tan pequena que puede despreciarse. El simbolo tiene numero atomico Z = 1. Por tanto, quiere decir que ese atomo tiene 1 proton en el nucleo. Es Hidrogeno. El simbolo tiene numero masico A = 2. Por tanto, quiere decir que ese atomo tiene 2 particulas en el nucleo, entre protones y neutrones. Como Z = 1, tiene 1 proton y A Z = 2-1 = 1 neutron. El numero atomico nos indica tambien el numero de electrones que tiene el atomo en su corteza (si es neutro). En este caso, en la parte superior derecha no aparece ninguna carga, por ello es neutro y tiene el mismo numero de protones que de electrones: 1 electron. En resumen, para átomos neutros: 9
EJERCICIO 4- Completa la siguiente tabla: TABLA PARTÍCULAS SUBATÓMICAS Elemento Símbolo Representación Z A Nº Elec Nº Protones Nº Neutrones sodio Na 23 11 Na 11 23 potasio K 19 39 magnesio Mg 12 24 litio Li 3 7 oxigeno O 16 8 carbono C 12 6 nitrógeno N 14 7 helio He 4 2 hidrógeno H 1 1 neón Ne 20 10 manganeso Mn 55 25 hierro Fe 56 26 aluminio Al 26 13 plata Ag 47 61 platino Pt 78 117 silicio Si 14 28 cloro Cl 35 17 berilio Be 9 4 flúor F 19 9 fósforo P 31 15 Bario Ba 137 56 calcio Ca 20 40 argón Ar 18 40 cobre Cu 63 29 5- IONES Ya hemos dicho que los atomos en estado normal son neutros, es decir, tienen el mismo numero de protones y de electrones (cargas positivas y negativas). Sin embargo, en determinadas circunstancias los atomos pueden perder o ganar electrones, con lo que convierten en atomos con carga o iones, que pueden ser con carga negativa, si han adquirido algun electron ( aniones ) o con carga positiva, si han perdido algun electron ( cationes ). 10
Un cation es un atomo con carga positiva. Se origina por perdida de electrones y se indica con un superindice a la derecha. Un anion es un atomo con carga negativa. Se origina por ganancia de electrones y se indica con un superindice a la derecha. Por ejemplo, el atomo de Sodio (Na) (Z = 11) en estado neutro tendra 11 protones y 11 electrones. Cuando reacciona con otro elemento suele perder 1 electron con lo que queda con 11 protones y 10 electrones, es decir, con una carga neta positiva. Se habra formado el cation Sodio, que se representa normalmente como Na +.Vemos, pues, que unicamente el numero de protones (numero atomico) es invariable en un elemento y es el responsable de su identificacion. EJERCICIO 5- Completa la siguiente tabla: ión carga Símbolo Z A Nº Elec Nº Protones Nº Neut Na + 11 23 K + 19 39 Mg +2 12 24 Li + 3 7 O -2 16 8 N -3 14 7 H 1 0 1 Mn 55 22 25 Fe 56 23 26 Al 26 10 13 Ag 46 47 61 Si +4 14 28 Cl 35 18 17 Be +2 9 4 F 19 10 9 P -3 31 15 Ba 137 54 56 Ca +2 20 40 Cu 63 28 29 11
6. ISÓTOPOS Despues de descubrirse la radiactividad se encontraron atomos que, aun teniendo el mismo numero atomico que atomos ya conocidos (por lo que debian tratarse del mismo elemento), tenian, sin embargo, distinto numero masico y, por lo tanto, distinta masa. Es decir, no todos los atomos de un mismo elemento son iguales. Existen atomos del mismo elemento que contienen distinto número de neutrones. A estos atomos se les llama isótopos. Posteriormente, se descubrio que casi todos los elementos tenian mas de un isotopo. Por ejemplo, la mayor parte de los atomos del Carbono (C) tienen una masa atomica de 12 UMAs, es decir, tienen en su nucleo 6 protones y 6 neutrones. Sin embargo, existen atomos de Carbono que tienen 6 protones (por eso se siguen llamando Carbono) y 8 neutrones en el nucleo. En este caso, este atomo es un isotopo del Carbono que se denomina Carbono-14 y se representa por 14C, que es radiactivo. El % de este isotopo en los materiales sirve para saber la antiguedad de estos con bastante precision. isotopos Los isotopos de un mismo elemento tienen el mismo numero atomico (Z), pero distinto numero de neutrones (N) y, por lo tanto, distinto numero masico (A). La masa atomica que viene en la Tabla Periodica no es sino una media ponderada (teniendo en cuenta los porcentajes) de las masas de los isótopos que existen de dicho elemento. Ejemplo: De Hidrogeno existen tres isotopos cuyas numeros masicos son 1, 2 y 3, respectivamente. Cuantos protones y neutrones tiene cada uno de dichos isotopos? Si son isotopos de Hidrogeno, todos ellos tendran Z = 1, es decir, todos tendran 1 proton. En cuanto al numero de neutrones (N): El isotopo 1 (el que tiene A=1) es el que existe en la naturaleza en mas del 99 %. Isotopo1: N=A Z = 1 1= 0 neutrones. Isotopo2: N=A Z = 2 1= 1neutrones. Isotopo3: N=A Z = 3 1= 2 neutrones. 12
6.1- MASA ATOMICA. Si de cada elemento solo existiera un isotopo, las masas atomicas de los mismos serian sus respectivos numeros masicos expresadas en UMAs, y por lo tanto, tambien serian numeros enteros como ocurre con el numero atomico. Sin embargo, al existir varios isotopos de cada elemento y al estar todos mezclados y en cantidades desiguales, la masa atomica que se puede medir no es mas que una media ponderada (teniendo en cuenta la proporcion en que se encuentra cada uno) de las masas de los distintos isotopos. Es muy comun utilizar masas atomicas relativas, que indica las veces que la masa atomica del elemento es superior a la UMA. Viene determinado por el mismo numero pero sin unidades. Asi, la masa atomica relativa del cloro seria 35,45. Ejemplo: Cual sera la masa atomica del Cloro si sabemos que existen de el dos isotopos con 18 y 20 neutrones y que se encuentran en una proporcion de un 77,5 % y un 23,5 % respectivamente? EJERCICIO 6- El magnesio tiene 3 isotopos estables: el Mg-24 mayoritario con un 78,6 %, el Mg-25, con un 10,1 %, y el Mg-26, con un 11,3 %, Cual sera su masa atomica relativa? 13
7- CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA Ya sabemos que los electrones forman parte de la corteza del atomo y que giran alrededor del nucleo formando capas con un numero maximo de electrones por cada capa. Pues bien, el numero maximo de electrones que puede contener una capa es de 2n 2, siendo n el numero de la capa. Asi, en la primera capa puede haber hasta 2 electrones, en la segunda hasta 8, en la tercera hasta 18... Sin embargo, la distribucion de los electrones por capas no suele ser tan simple. Existen tambien subcapas dentro de las capas que se entremezclan entre unos niveles y otros, lo que obliga a seguir unas reglas a la hora de situar los electrones. En la primera capa solo existe un nivel ( s ) en el que caben dos electrones. La segunda capa contiene 2 niveles: uno s similar al de la primera capa (con cabida para 2 electrones) y uno p en el que caben 6 electrones, es decir, en total 8 electrones tal y como habiamos adelantado. En la tercera hay un nivel s (2 electrones), uno p (6 electrones) y uno d (10 electrones): en total 18 electrones. Y asi sucesivamente, la cuarta capa tiene ademas un subnivel f (14 electrones)... Para recordar el orden de llenado de los orbitales se aplica el diagrama de Moeller que puedes ver en la imagen de la derecha. Debes seguir el orden de las flechas para ir anadiendo electrones. Para representar la configuracion electronica de un atomo se escriben los nombres de los orbitales (1s, 2p, etc.) y se coloca como superindice el numero de electrones que ocupan ese orbital o ese grupo de orbitales. El litio tiene numero atomico Z = 3, esto quiere decir que tiene 3 electrones en su corteza. Siguiendo el diagrama de Moeller nos encontramos el orbital 1s, en el caben 2 electrones: 1s 2. Nos queda por situar 1 electron que ira al siguiente orbital: 2s 1. Por tanto, la configuracion electronica del litio es: 1s 2 2s 1. El oxigeno tiene numero atomico Z = 8, esto quiere decir que tiene 8 electrones en su corteza. Siguiendo el diagrama de Moeller nos encontramos el orbital 1s, en el caben 2 electrones: 1s 2. Nos quedan 6 electrones por situar: 2 entraran en el orbital 2s: 2s 2 y los 4 restantes se situaran en los orbitales 2p, donde pueden entrar hasta 6 electrones como maximo, si hay menos pues se colocan los que haya: 2p 4. Su configuracion es: 1s 2 2s 2 2p 4. 14
EJERCICIO 7- Escribe la configuración electrónica de cada uno de los elementos que aparecen en la tabla del ejercicio 4. Usa para ello los valores del número de electrones que tienes en la tabla. 15