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LA ESTRUCTURA ATÓMICA

La estructura atómica

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LA ESTRUCTURA

ATÓMICA

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De acuerdo a una teoría, la palabra khemeia se deriva del nombre de losegipcios para su propia tierra, Keme. Khemeia por lo tanto podría ser “elarte egipcio”.Una segunda teoría, con más credibilidad, sostiene que khemeia provienedel griego khumos, "el jugo de una planta", de modo que khemeia seconsidera, en este caso, como "el arte de extraer los jugos". O el jugoreferido a la posibilidad de obtener metal fundido, de modo que lapalabra en ese caso puede significar "el arte de la metalurgia". Más alládel origen del término khemeia, es el antepasado indudable de nuestrapalabra "química".

Esta expresión dio lugar a la palabra árabe alquimia y a la española QUÍMICA.

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¿Qué estudia la Química?

Es la ciencia que estudia la constitución, propiedades y transformaciones que sufre la materia.

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LA MATERIA

SUSTANCIAS PURAS MEZCLAS

SUSTANCIAS PURASSIMPLES

SUSTANCIAS PURAS COMPUESTOS HOMOGÉNEAS HETEROGÉNEAS

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•Las SUSTANCIAS PURAS están formadas por un solo componente.

Pueden ser :

• Sustancias puras simples o elementos químicos : están formadas por un solo tipo de partículas. Ej : carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, oro, …

• Sustancias puras compuestas o compuestos químicos : se constituyen por la unión de dos o más elementos químicos diferentes. Ej : agua ( H 2 O ) , dióxido de carbono ( C O2 ) .

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Las MEZCLAS se forman por la unión de dos o más componentes y se pueden clasificar en :

* Homogéneas : no se distinguen los componentes que forman parte de la mezcla. Ej : el vino.

* Heterogéneas : se distinguen perfectamente sus componentes. Ej : potaje de verduras.

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Sustancias puras simples

El hierroOxígeno

El cobre Nitrógeno

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Sustancias puras compuestas

Agua ( H2 O )Dióxido de carbono

Butano ( C4H10 )

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¿Cuáles fueron las primeras ideas sobre la constitución de la materia?

Si observamos fotos de nuestro planeta , la Tierra, desde un satélite

artificial, parece que los continentes son compactos y que todo es tierra.

Si vamos ampliando sucesivamente la foto acaban apareciendo

montañas, ríos, lagos, etc., es decir que la Tierra no es continua másque en la observación a una gran escala.

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De igual manera, al mirar a nuestro alrededor podemos preguntarnossi todo lo observado es distinto o si hay algo común. Saber cómo estáformado el mundo que nos rodea , desde lo infinitamente pequeño a loinfinitamente grande, ha sido desde siempre una de las curiosidades másconstantes de la humanidad. ¿Cómo está formado el Universo?. ¿Y las cosasque vemos?. Estas pregunta se las plantearon hace aproximadamente 2500años los filósofos griegos.

• Demócrito ( 460-370 a.C. ) y Leucipo ( 450 a. C. - 370 a. C.). :la materia está formada por partículas indivisibles y muypequeñas llamadas átomos ( al dividir sucesivamente cualquiertrozo de un sistema material, se llega a un límite, a partir delcual no se puede seguir aplicando más divisiones, y a lapartícula material indivisible se le llama átomo ).

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Aristóteles ( 384 a. C.-322 a. C.) : defendió que la materia eracontinua.

Platón ( 428 a. C. – 347 a. C ) : aunque proponía la existencia deformas elementales , no creía que éstas fueran indivisibles en otrasmás pequeñas, no creía que éstas fueran indivisibles en otras máspequeñas del mismo tipo.

Aristóteles Platón

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LOS MODELOS ATÓMICOS

¿Cómo son los átomos por dentro?

Ante la imposibilidad de poder examinar suinterior, se hizo necesario crear los modelos

atómicos para imaginarnos su constitución. Un modelo atómico es una reproducción ideal del

átomo.

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Tipos de modelos

atómicos

Modelo atómico de

Dalton

Modelo atómico de

Thomson

Modelo atómico

de Bohr

Modelo atómico de

Rutherford

Modelo atómico

actual

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Modelo atómico de Dalton

John Dalton en 1808, en su libro Nuevo sistema de filosofía química, sentó las bases de la Teoría atómica al postula que la materia estaba compuesta por unidades esenciales llamadas átomos. Su hipótesis se basó en los siguientes postulados :

John Dalton

(1766-1844)

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1º Los elementos están formados por átomos, que son partículas materiales independientes, inalterables e indivisibles.

2º Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en el resto de propiedades.

3º Los compuestos se forman por la unión de los átomos de los correspondientes elementos en base a una relación de números enteros sencilla .

4º En las reacciones químicas, los átomos ni se crean ni se destruyen, solamente se redistribuyen para formar nuevos compuestos.

Las ideas de Dalton suponen el primer modelo teórico para explicar la Química moderna , permitiendo interpretar de manera lógica las leyes ponderales.

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¿Por qué el modelo atómico de DALTON quedó incompleto?

Porque en la primera mitad del siglo XIX se produjeron una serie dedescubrimientos que demostraron la existencia de partículas dentro del átomo.

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W. Crookes ( 1885 ) diseñó un tubo de vidrio en el que consiguió unvacío casi perfecto. Colocó en su interior dos placas metálicas y lasconectó a una diferencia de potencial elevada; en el interior deltubo apareció un haz luminoso lo que se interpretó como que lacorriente eléctrica viajaba en el vacío. La placa metálica conectadaal polo negativo del generador eléctrico se llamó cátodo, y laconectada al polo positivo, ánodo.

En la pared opuesta aparecía una tenue coloración verdosaprovocada por el choque contra el vidrio de una radiación emitidapor el cátodo, al que se le llamó rayos catódicos.

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En 1897 el físico británico Joseph John Thomson ( 1856 –1940 ) estudió con detalle lo que sucedía en los tubos de rayos catódicos.

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Al analizar las partículas que formaban el rayo, se observó que eran lasmismas, cualquiera que fuese el gas que hubiese en el interior del tubo.De ahí se dedujo que :

En el interior de todos los átomos hay una o más partículas cargadgativamente, a las que se llamó ELECTRONES

Si los átomos tienen partículas con carga negativa, también debenposeer partículas con carga positiva, de tal manera que cada átomotenga tantas partículas positivas como negativas. Como la materia solomuestra sus propiedades eléctricas en determinadas condiciones ( porejemplo, después de ser frotada ), debemos pensar que es neutra.

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THOMSON supuso que el átomo era como una gran masa de carga

positiva, y entre esta carga debían estar los electrones.

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

Supone la existencia de una esfera de electricidadpositiva, que incluye encajados tantos electrones comosean necesarios para neutralizarla.

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Una vez descubierto el electrón , los científicos trataron de localizaren el átomo una partícula similar, pero con carga positiva, ya que lamateria era neutra.

E. Goldstein ( 1886 ) utilizó un tubo de descarga similar al deCrookes, pero en el que había perforado el cátodo, realizandoagujeros en él. Observó que al mismo tiempo que se producían losrayos catódicos existían otros que atravesaban los orificios delcátodo, produciendo la característica luminiscencia al chocar contralas paredes el tubo. Los llamó rayos canales

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¿Qué conclusiones se pudieron obtener?

Los rayos canales estaban también formados por partículas, pero en este casotenían que ser positivas ( eran atraídos por el cátodo ). Se encontró que lapartícula que formaba los rayos canales era distinta según el gas que hubiese enel interior del tubo. La partícula más pequeña se detectó cuando el gas erahidrógeno : resultó ser una partícula de carga igual a la del electrón, pero decarga positiva, y con una masa unas dos mil veces mayor.Rutherford a estas partículas las llamó protones.

Ernest Rutherford

(1871-1937 )

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Modelo atómico de RutherfordErnest Rutherford y colaboradores realizaron en 1911 la siguiente experiencia :

En el interior de un bloque de plomo se hizo una cavidad con una salida alexterior en la que se colocó el material radiactivo que producía los rayos alfa (por ejemplo, mineral de uranio ). Todos los rayos que no tuviesen la dirección delorificio de salida serían absorbidos por el plomo. Se lograba así que a la láminade oro llegasen unos rayos procedentes directamente del material radiactivo.

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Realizada la experiencia, se obtuvieron los siguientes resultados :

•La mayoría de las partículas alfa ( carga positiva ) atravesaban la lámina de oro.• Una pequeña proporción de partículas atravesaba la lámina, pero sufrían una leve desviación.•Una de cada 10 000 partículas alfa rebotaba al llegar a la lámina y volvía hacía atrás.

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¿Qué conclusiones extrajo Rutherford?

El átomo está formado por un núcleo muy pequeño y una corteza. En elnúcleo está concentrada toda su carga positiva y casi toda su masa; enla corteza están los electrones girando alrededor del núcleo.( MODELO PLANETARIO ).

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Si el átomo fuese del tamaño de un campo de fútbol, elnúcleo sería como una canica colocada en su centro, y loselectrones, como cabezas de alfiler que giran alrededor delcampo.

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¿Qué inconvenientes presentaba el modelo de Rutherford ?

Si los átomos estuviesen formados solo por protones y electrones, sumasa debería coincidir con la masa de los protones, ya que loselectrones tienen una masa despreciable. NO OCURRÍA.

La masa de dichos núcleos no se correspondía con la carga existente enellos. Ej : el He tenía una masa equivalente a la de cuatro protones, perosu carga sólo era la de dos de ellos. Era necesario que existiese otrotipo de partícula de masa similar a la del protón, pero sin carga.

Además, debemos suponer que existe algún tipo de partícula que nosólo se interponga entre ellos apantallando las fuerzas repulsivassino que además estabilice el sistema nuclear simultáneamente.

Tampoco era capaz de explicar las bandas discontinuas de absorción oemisión de los espectros atómicos.

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James Chadwick

( 1891- 1974 )

4Be9+2He4--->6C12+0n

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J. Chadwick ( 1891 – 1974 ) en 1932 probó a bombardear átomos de beriliocon partículas α y obsevó que se desprendía cierta radiación. Al estudiarla,comprobó que estaba formada por partículas neutras de masa ligeramentesuperior a la del protón. Había descubierto los neutrones.

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¿Cómo identificamos a los átomos?.

• El número atómico ( Z ) = indica el número de protones que hay en elnúcleo de un átomos. Es igual al número de electrones si el átomo esneutro.

• El número másico ( A ) = indica el número de protones y neutrones quetiene el núcleo de un átomo.

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Características de las partículas elementales

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ISÓTOPOS

Son átomos del mismo elemento químico que difieren en su masa, es decir,tienen el mismo número de protones, pero se diferencian en el número deneutrones.

La masa atómica de un elemento químico se calcula como la media ponderada dela masa de los isótopos que lo forman. Se mide en u ( unidad de masa atómica ).

1 u = 1,661 10-27 kg

A1, A2 , A3,… son las masas de los correspondientes isótopos de esos elementos.

( %)1, ( % )2, ( % )3, … son las abundancias isotópicas de cada uno de losisótopos del elemento.

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IONES

Cuando los átomos pierden su neutralidad eléctrica se convierten en iones. La carga del ion coincide con el número de electrones que el átomo gana o pierde. Cuando un átomo :

• Gana electrones se convierte en un ion negativo o anión.

Ej : S2-

• Pierde electrones se convierte en un ion positivo o catión.

Ej : Na+

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Tras el descubrimiento de los espectros atómicos de absorción y

emisión, se demostró que los átomos no emiten ni absorben

energía de forma continua. Por ello, era necesario un nuevo

modelo atómico.

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El modelo atómico de Bohr

Niels Bohr ( (1885-1962)

¿Qué modelo alternativo se propuso?

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Modelo atómico de Bohr

El físico danés N. Bohr mejoró el modelo de Rutherford proponiendo

un modelo compuesto por núcleo y corteza. Al igual que en el modelo

de Rutherford, el átomo también tenía un núcleo positivo y los

electrones giraban en torno a él, pero lo hacían en unas órbitas

circulares, donde no emiten ni absorben energía. A estas <<órbitas

permitidas>> se les llamó niveles de energía.

Más tarde, Arnold Sommerfeld ( 1868-1951 ), en una ampliación del

modelo atómico de Bohr, supuso que las órbitas también podían ser

elípticas, introduciendo las órbitas élípticas.

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El modelo de Bohr explicaba el espectro del átomo de hidrógeno y la cuantización

de la energía. Sin embargo, se hizo necesario buscar un modelo teórico que

explicase todos los niveles de energía que los espectroscopistas encontraron en los

átomos polielectrónicos. El científico austriaco Erwin Schrödinger ( 1887-1961 )

estableció un nuevo modelo atómico basándose en dos principios de la mecánica

cuántica que se habían establecido recientemente ( Principio de dualidad onda-

corpúsculo y Principio de incertidumbre ) . Se eliminaba el concepto de ÓRBITA y

se sustituye por el de ORBITAL.

Page 38: La estructura atómica

El modelo atómico actual

Se le llama modelo mecánico- cuántico del átomo, y fue establecido por

Erwin Schrödinger ( 1887-1961 ). 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 cierta región del espacio : el ORBITAL.

¿Qué es el orbital?

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Órbita : es la trayectoria que describe el electrón en su giro alrededor del

núcleo.

Órbital : Es la región del espacio donde existe la máxima probabilidad (

superior al 90 % ) de encontrar al electrón.

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Un orbital queda determinado por un conjunto de números cuánticos ( 3 ).

( n, l, m ).

Un electrón queda descrito por cuatro números cuánticos ( n, l, m, s )

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Forma de los orbitales s, p y d

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Teniendo en cuenta que en cada orbital caben como máximo 2

electrones :

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Para saber el orden de llenado de los niveles energéticos de un átomo

recurrimos a el Diagrama de Möeller. Se puede deducir que el número máximo

de electrones en cada nivel energético es de 2n², siendo n el número cuántico

del nivel.

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Configuraciones electrónicas de un átomo en estado fundamental,

excitado y prohibida.

•Cuando un átomo tiene todos sus electrones en el orbital de menor

energía posible, se dice que se encuentra en ESTADO FUNDAMENTAL.

Ej : 1s² 2s² 2p³

•Cuando se comunica energía a un átomo, alguno de sus electrones

puede pasar a un nivel de energía superior ; se dice que el átomo se

encuentra en ESTADO EXCITADO.

Ej : 1s² 2s² 2p² 3s¹

•Tanto si el átomo está en estado fundamental como si se encuentra en

estado excitado se debe cumplir el Principio de exclusión de Pauli ( en

un orbital solo puede haber como máximo dos electrones ). Si no se

cumple, el átomo está en un ESTADO PROHIBIDO.

Ej : 1s² 2s³ 2p²

Ej : 1s³ 2s² 3s²

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¿Qué relación existe entre la ordenación periódica de los elementos

químicos con su configuración electrónica de valencia?

Los electrones de valencia son los responsables del comportamiento químico

de los átomos. Se encuentran en el último nivel.

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PROPIEDADES PERIÓDICAS DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS

Son las propiedades que podemos estudiar en relación con el lugar que

ocupan en el sistema periódico.

1) Radio atómico.

2) Electronegatividad.

3) Carácter metálico.

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1) Radio atómico

Actualmente se mide el radio de los átomos como la mitad de la distancia que

separa dos átomos del mismo elemento unidos mediante un enlace sencillo.

En los grupos aumenta al aumentar el número atómico ( a medida que

aumenta el número atómico, aumenta el número del nivel de valencia, por lo que

los electrones de valencia están cada vez más alejados del núcleo y el tamaño

del átomo es cada vez mayor ).

En los periodos disminuye al aumentar el número atómico ( los electrones de

valencia se sitúan en orbitales del mismo nivel. Pero a medida que aumenta el

número atómico aumenta el número de protones del núcleo, y con ello la

atracción que ese núcleo ejerce sobre los electrones del nivel de valencia, lo que

hace que se aproximen y disminuya el tamaño de los átomos.

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2) Electronegatividad

La electronegatividad de un elemento químico es la capacidad de éste para

atraer electrones de una molécula de la que forma parte.

Dentro de un grupo, los átomos más electronegativos son los de

menor número atómico, es decir los de menor tamaño.

Dentro de un periodo, los átomos más electronegativos son los

de mayor número atómico, es decir, los de menor tamaño.

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3) Carácter metálico

Los metales son elementos que tienen una electronegatividad baja. En

consecuencia, tienen tendencia a ceder electrones y a formar iones

positivos ( cationes ) . Ej : Na+, Fe2+, Al3+.

Los no metales son elementos que tienen una electronegatividad alta. En

consecuencia, tienen tendencia a aceptar electrones y a formar iones

negativos. Ej : F-, S2- .

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