ESTRUCTURA ATMICA

TEORA ATMICA DE LA MATERIA Demcrito (460 370 a.C.) Todo el mundo material deba estar constituido por partculas indivisibles diminutas que llamaron tomos. Platn y Aristteles. No pueden existir partculas indivisibles. John Dalton (1803 1807). Plante los siguientes postulados: 1. Cada elemento se compone de partculas extremadamente pequeas llamadas tomos.

2. Todos los tomos de un elemento dado son idnticos; los tomos de elementos diferentes son diferentes y tienen propiedades distintas (incluida la masa). 3. Los tomos de un elemento no se transforman en tomos diferentes durante las reacciones qumicas; los tomos no se crean ni se destruyes en las reacciones qumicas. 4. Cuando se combinan los tomos de ms de un elemento se forman compuestos; un compuesto dado siempre tiene el mismo nmero relativo de la misma clase de tomos. Segn la teora atmica de Dalton, Los tomos son los bloques de construccin bsicos de la materia; son las partculas ms pequeas de un elemento que conservan la identidad qumica del elemento.

Ley de las proporciones definidas. En un compuesto dado los nmeros relativos y las clases de los tomos son constantes. Esta ley es la base del postulado 4 de Dalton.Ley de la conservacin de la materia. La masa total de los materiales presentes despus de una reaccin qumica es la misma que la masa total antes de la reaccin. Esta ley es la base del postulado 3. Ley de las proporciones mltiples. Si dos elementos A y B se combinan para formar ms de un compuesto, las masas de B que se pueden combinar con una masa dada de A, estn en proporciones de nmeros enteros pequeos.

DESCUBRIMIENTO DE LA ESTRUCTURA ATMICA El tomo se compone de piezas an ms pequeas llamadas partculas subatmicas. El tomo se compone parcialmente de partculas con carga elctrica, algunas con carga positiva (+) y algunas con carga negativa (). Las partculas con la misma carga se repelen, mientras que partculas con carga distinta se atraen.

RAYOS CATDICOS Y ELECTRONES El descubrimiento del electrn y el estudio detallado de su comportamiento fueron posibles gracias a la invencin del tubo de rayos catdicos. Una placa con carga positiva, el nodo, atrae las partculas con carga negativa, los electrones, el haz de electrones atrae lo que los primeros investigadores llamaron rayo catdico. Este rayo viaja hasta incidir en la superficie interna del extremo opuesto del tubo. La superficie est recubierta de un material fluorescente, como sulfuro de zinc, de manera que se observa una intensa fluorescencia o emisin de luz cuando la superficie es bombardeada por los electrones.

Tubo de rayos catdicos

2.2

En algunos experimentos al tubo de rayos catdicos se le agregaron dos placas cargadas elctricamente y un electroimn. Cuando el campo magntico se encuentra activado y el campo elctrico se encuentra desactivado, el rayo catdico incide en el punto A. Cuando slo el campo elctrico est activado, el rayo se desva al punto C. Cuando ambos campos estn desactivados o cuando ambos estn activados, pero se equilibran de tal forma que su influencia se cancela mutuamente, el rayo sigue una trayectoria rectilnea hacia el punto B.

Tal comportamiento es congruente con el hecho de que los electrones poseen carga negativa. La teora electromagntica establece que un cuerpo cargado en movimiento se comporta como un imn y puede interactuar con los campos elctrico y magntico a travs de los cuales pasa.

Dado que el rayo catdico es atrado por la placa con cargas positivas y repelido por la placa con cargas negativas, es claro que debe estar formado por cargas negativas.

J. J. Thomson, utiliz un tubo de rayos catdicos y su conocimiento acerca de los efectos de las fuerzas elctrica y magntica en una partcula cargada negativamente para obtener la relacin entra la carga elctrica y la masa de un electrn. Thomson encontr que la relacin es:

c arg a 8C 1,76 10 g masa

En 1909 Robert Millikan logr medir la carga de un electrn realizando lo que se conoce como el experimento de la gota de aceite de Millikan Utilizando el aparato que se muestra en la figura, Millikan prob que todas las cargas elctricas son mltiplos de una unidad elemental definida, cuyo valor es 1,6 x 10-19C. En el experimento se llevan gotas esfricas de aceite desde el atomizador hacia la cmara de observacin. All se cargan al chocar con los iones gaseosos producidos por la accin del radio o los rayos X sobre el aire. Se reconoce una gota de aceite cargada por su respuesta a un campo elctrico y por su movimiento observado a travs del microscopio. Cuando el campo elctrico es cero, la gota est sometida solamente a la fuerza de gravedad, y cae, debido a la densidad del aire, la gota no acelera continuamente, sino que alcanza una velocidad constante.

As, se puede determinar tanto la carga como la masa del electrn:

C arg a del electrn 1,6 10

19

C

1,6 1019 C 28 Masa del electrn 9,10 10 g 8C 1,76 10 g

RADIACTIVIDAD Fue descubierta por Henri Berquerel en 1896, quien, estudiando pechblenda (un mineral de uranio), descubri que emita radiacin de alta energa. Esta emisin espontnea de radiacin se denomina radiactividad. Los estudios posteriores, llevados a cabo por Rutherford revelaron tres tipos de radiacin: , y . Radiacin , consta de partculas (electrones de alta velocidad). Radiacin , consta de partculas (ncleos de helio) Radiacin , es de alta energa, similar a los rayos X; no consta de partculas y no posee carga.

(Compuesto de uranio)

EL TOMO NUCLEAR Segn Thomson y debido a que los electrones constituyen una fraccin muy pequea de la masa de un tomo, propuso que el tomo consista en una esfera uniforme de materia positiva en la que estaban incrustados los electrones. Se le llam el modelo atmico del pudn de pasas

MODELO DE RUTHERFORD Al estudiar los ngulos con los que las partculas se dispersaban al pasar a travs de una laminilla de oro muy delgada, descubri que casi todas las partculas atravesaban directamente la laminilla, sin desviarse. Un porcentaje pequeo mostraba una desviacin ligera. Adems, se observaron desviaciones con grandes ngulos e incluso algunas partculas rebotaban en la direccin en la que haban venido. Rutherford postul que la mayor parte de la masa del tomo, y toda su carga positiva, resida en una regin muy pequea, extremadamente densa, a la que llam ncleo. La mayor parte del volumen total del tomo era espacio vaco, en el que los electrones se movan alrededor del ncleo.

La mayor parte de las partculas atraviesan directamente la laminilla porque no se topan con el diminuto ncleo; pasan por el espacio vaco del tomo. Ocasionalmente, una partcula se acerca mucho al ncleo de los tomos de oro. La repulsin entre el ncleo del tomo de oro altamente cargado y la partcula es lo bastante fuerte como para desviar la partcula , menos masiva. Estudios posteriores condujeron al descubrimiento de las partculas tanto positivas (protones) como neutras (neutrones) en el ncleo.

VISIN MODERNA DE LA ESTRUCTURA ATMICA Slo tres de las partculas subatmicas afectan el comportamiento qumico: protn, neutrn y electrn. Los tomos tienen nmeros iguales de protones y de electrones, as que no poseen carga elctrica neta. Los protones y los neutrones residen juntos en el ncleo del tomo que es extremadamente pequeo. Prcticamente todo el volumen de un tomo es el espacio en el que residen los electrones. Los electrones son atrados hacia los protones del ncleo por la fuerza que existe entre partculas con carga elctrica opuesta. Las masas de los tomos son extremadamente pequeas. Por ello se utiliza la unidad de masa atmica (uma), 1 uma = 1,66 x 10-24g.

Las masas del protn y del neutrn son casi iguales, y ambas son mucho mayores que la del electrn. Los tomos son extremadamente pequeos, en su mayor parte tienen dimetros de entre 1 x 10-10m a 5 x 10-10m, es decir entre 100 y 500 pm de 1 a 5 (1 = 10-10m). Los dimetros de los ncleos atmicos son del orden de 10-4

ISTOPOS, NMEROS ATMICOS Y NMEROS DE MASA

Todos los tomos de un elemento tienen el mismo nmero de protones en el ncleoISTOPO. Son los tomos de un elemento dado que difieren en el nmero de neutrones, y por lo tanto en su masa. NUCLIDO. tomo de un istopo especifico

NMERO ATMICO. Nmero de protones en el ncleo de un tomo.NMERO DE MASA. Nmero de protones ms neutrones en el ncleo de un tomo.

NMERO DE MASA

A Z

X

SMBOLO DEL ELEMENTO

NMERO ATMICO

1 1H

2 1H

(D)

3 1H

(T)

ISTOPOS

235 92

U

238 92

U

PESOS ATMICOS Unidad de masa atmica (uma): se define asignando una masa de exactamente 12 uma al istopo 12C del carbono.1 uma = 1,66054 x 10-24 g 1 g = 6,02214 x 1023 uma

MASA ATMICA PROMEDIO. Se puede determinar la masa atmica promedio de un elemento a partir de las masas de sus diversos istopos y de sus abundancias relativas. La masa atmica promedio de cada elemento (expresada en uma) tambin se denomina peso atmico.

Calcular la masa atmica del Silicio considerando que se encuentra en la naturaleza formado por tres istopos que tienen las siguientes masas y % de abundancia. Masa atmica % abundancia 27.977 92.23 28.977 4.67 29.974 3.10

LA TABLA PERIDICA Se disponen los elementos en orden de nmero atmico creciente, de sta manera se puede observar que sus propiedades qumicas y fsicas exhiben un patrn repetitivo, o peridico. Colocando en columnas verticales los elementos que tienen propiedades similares se obtiene la tabla peridica. En ella para cada elemento de la tabla se da el nmero atmico, el smbolo atmico y el peso atmico (masa atmica promedio. Nmero atmico 19

K39,0983

Smbolo atmico

Peso atmico

Las columnas de la tabla peridica se conocen como grupo. La designacin de los grupos es un tanto arbitraria, y se usan comnmente tres esquemas distintos de designacin. Por ejemplo en Estados Unidos los grupos se designan con nmeros del 1 al 8, seguidos de las letras A o B. La Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) ha propuesto una convencin que numera los grupos desde el 1 al 18, sin designaciones A o B.

CONVENCIN NORTEAMERICANA

CONVENCIN IUPAC

Los elementos que pertenecen al mismo grupo suelen exhibir ciertas similitudes en sus propiedades fsicas y qumicas. Todos los elementos del lado izquierdo y la parte media de la tabla (con excepcin del hidrgeno) son elementos metlicos, o metales. La mayor parte de los elementos de la tabla peridica son metales. Los metales estn separados de los elementos no metlicos por una lnea diagonal escalonada que va del Boro (B) al Astato (At). El hidrgeno es un no metal. Muchos de los elementos que estn junto a la lnea que separa los metales de los no metales, como el Antimonio (Sb), tienen propiedades intermedias entre las de los metales y los no metales, generalmente se les denomina metaloides.

MOLCULAS Y COMPUESTOS MOLECULARES Un tomo es la muestra representativa ms pequea de un elemento. Una molcula es un conjunto de dos o ms tomos estrechamente unidos. Muchos elementos se encuentran en la naturaleza en forma molecular, la representacin grfica de una molcula es la frmula qumica. Los elementos que estn formados por molculas se denominan compuestos moleculares, y contienen ms de un tipo de tomos.

H2

H2O

NH3

CH4

MOL. Es la unidad SI para la cantidad de sustancia. Es la cantidad de sustancia que contiene el mismo nmero de tomos que existen en 12 g de carbono 12. A este nmero se le llama nmero de Avogadro (6,021023) Un mol de una sustancia representa un nmero fijo de entidades qumicas y tiene una masa fija As 1 mol de tomos de Fe contiene 6,021023 tomos de Fe 1 mol de molculas de O2 contiene 6,021023 molculas de O2 y 1,2041024 tomos de O (el doble) 1 mol de molculas de H2O contiene 6,021023 molculas de H2O, 6,021023 tomos de O y 1,2041024 tomos de H. 1 mol de iones NO3- contiene 6,021023 iones NO3-, 6,021023 tomos de N y 1,8061024 tomos de O

Masa atmica. Masa de un tomo, se mide en uma. Ej: masa atmica del Fe = 55,85 uma Masa molecular. Masa de una molcula, se mide en uma. Ej: masa molecular de H2O = 18 una Masa molar. Masa de 1 mol de partculas, se mide en gramos Ej: masa molar de Fe = 55,85 g masa molar de H2O = 18 g

El cloranfenicol, C11N2O5H13Cl2, es un antibitico muy usado. Si una persona ingiere 120mg de este medicamento, calcule: a) Masa molar b) Cuntos moles de frmaco consumi? c) Cuntas molculas de frmaco consumi? d) Cuntos tomos de carbono consumi?

La hemoglobina, molcula encargada del transporte de oxgeno en la sangre posee la frmula molecular: C2952H4664N812O832S8Fe4. Calcule: a) La masa molar de la hemoglobina b) Los moles de hemoglobina que hay en 1000mg de compuesto c) Las molculas de hemoglobina que hay en 1000mg de compuesto d) Los tomos de N que hay en 1000mg de compuesto e) Cuntos tomos de S deben existir en una muestra que contiene 3,012 x 1010 tomos de Fe?

FRMULAS EMPRICA Y MOLECULARES

FRMULAS MOLECULARES. Son las frmulas qumicas que indican los nmeros y tipos de tomos que forman una molcula.FRMULAS EMPRICAS. Son las frmulas qumicas que slo indican el nmero relativo de tomos de cada tipo en una molcula. Los subndices de una frmula emprica siempre son las proporciones enteras ms pequeas. As, para la glucosa: Frmula molecular: C6H12O6 Frmula emprica: CH2O

REPRESENTACIN DE MOLCULASFRMULA ESTRUCTURAL. Muestra cules tomos estn unidos a cules dentro de la molcula. Los tomos se representan con sus smbolos qumicos, y se usan lneas para representar los enlaces que mantienen unidos a los tomos. DIBUJO EN PERSPECTIVA. Da una idea de la forma tridimensional de la molcula. MODELO DE BOLAS Y VARILLAS. Muestra los tomos como esferas y los enlaces como varillas. Representan con exactitud los ngulos con que los tomos se unen dentro de la molcula.

MODELOS ESPACIALES. Dan una idea ms realista de cmo se vera una molcula si se aumentara su escala.

IONES Y COMPUESTOS INICOS El ncleo de un tomo no cambia en los procesos qumicos ordinarios, pero los tomos pueden adquirir o perder electrones fcilmente. Si a un tomo neutro se le quitan o agregan electrones , se forma una partcula cargada llamada ion. Un ion con carga positiva se denomina catin. Un ion con carga negativa se denomina anin.

Cl , NO , CO

3

2 3

Na , Ca , Fe

2

3

Frmula de compuestos inicos2 x +3 = +6Al2O3

3 x -2 = -6O2-

Al3+

1 x +2 = +2CaBr2 Ca2+

2 x -1 = -2Br-

1 x +2 = +2Na2CO3 Na+

1 x -2 = -2CO32-