GUIA 3. QUÍMICA BASICA.3er AÑO.
TEMA GENERADOR: Historia del Modelo Atómico.
Referentes Teórico – prácticos:
- Concepciones sobre
el átomo. Teorías de la antigüedad (Demócrito – Aristóteles).
- Diferentes Hechos
experimentales que indican que la materia tiene naturaleza eléctrica.
- Modelos
atómicos. Naturaleza de la luz. Concepción actual del átomo.
- Distribución
electrónica – Tabla periódica.
IMPORTANTE: El Tema a desarrollar es bastante extenso, la información
que aquí se aporta es solo una
introducción al desarrollo del tema, por
lo tanto se les sugiere a los alumnos complementarla utilizando distintas
fuentes de información.
ESTRUCTURA ATÓMICA.
Desde hace siglos el hombre consideró al átomo como una partícula
constituyente de la materia, aunque no podía verlo ni separarlo, su presencia
fue admitida para explicar los diferentes fenómenos que existían en la época.
La idea de una materia atómica compleja surge con el descubrimiento de
la electricidad en el año 1800, por Alejandro Volta, quien construyó la primera
pila aun cuando desconocía sus reacciones químicas. Posteriormente en 1833
Michael Faraday, estableció las relaciones
cuantitativas entre la cantidad
de electricidad y la sustancia metálica depositada en el cátodo o el gas
desprendido en el ánodo dentro de una cuba electrolítica.
Estos procesos se estudiaron y desarrollaron aún sin saber su relación
con la estructura atómica. Ya para el año 1850 se habían adquirido numerosos
conocimientos sobre la electricidad estática, la conducción de la corriente y
muchos fenómenos relacionados con ella, tales como el efecto fotoeléctrico y el
efecto termoiónico, ambos consistentes en la emisión de radiación de naturaleza
eléctrica negativa: La primera, por la superficie de un metal irradiado por luz
de alta frecuencia (baja longitud de onda); y la segunda, por un electrodo caliente
dirigido hacia uno frío.
El verdadero desarrollo se alcanzó
con el estudio de las descargas eléctricas en gases enrarecidos(a baja
presión), pues éstos llevaron al descubrimiento de las partículas subatómicas,
como el electrón, protones y neutrones.
En otro sentido, se puede expresar que entre los diferentes hechos
experimentales que han permitido demostrar que la materia tiene naturaleza
eléctrica, tenemos: a.- La carga eléctrica que adquieren algunos materiales por
frotamiento, b.- Experimentos sobre electrólisis, c.- Efecto termoiónico o
emisión termoiónica, d.- Efecto fotoeléctrico o emisión fotoeléctrica y e.-
Descarga eléctrica en gases enrarecidos.
PLAN
DE SEGUIMIENTO DE ACTIVIDADES.
1.-
¿Cuáles descubrimientos nos identifican la naturaleza eléctrica de la materia?
La naturaleza eléctrica de la
materia es conocida desde hace mucho tiempo, los antiguos griegos, hacia el año
600 a. C., ya sabía que al frotar ámbar con una piel, este adquiría la
propiedad de atraer a cuerpos ligeros.
Estos fenómenos descubiertos por
el filósofo griego Thales de Mileto sobre el ámbar, que en griego se llama
elektron, son el inicio de la electricidad.
No fue hasta el siglo XVI, cuando
el médico inglés William Gilbert, observó que otros materiales se comportaban
como el ámbar, esto le llevo a realizar una clasificación entre los materiales.
Los materiales que se comportaban como el ámbar al ser frotados los llamo
eléctricos y a los demás no eléctricos. Incluso ideo un instrumento para saber
si los cuerpos eran o no eléctricos, el versorio.
Posteriormente, el francés
Charles du Fay, en el siglo XVIII, descubrió que dependiendo de los materiales
que se frotasen existían dos tipos de comportamientos. Por un lado los que se
comportaban como el ámbar y por otro los que se comportaban como el vidrio
cuando se frotaba con seda. De tal manera que dos trozos de ámbar electrizados
se repelían, dos trozos de vidrio electrizados también se repelían pero un
trozo de ámbar electrizado y otro de vidrio electrizado se atraían. Por lo que
dedujo que debían de existir dos tipos de electricidad.
En este mismo siglo, Benjamín
Franklin investigo sobre los fenómenos eléctricos y consideró que la
electricidad era un especie de fluido que podía pasar de unos cuerpos a otros
por frotamiento. Cuando el fluido pasaba a un cuerpo este adquiría electricidad
positiva y el cuerpo que perdía este fluido adquiría electricidad negativa. La
investigación de todos estos fenómenos llevó a un estudio de la materia que
posteriormente pudiera explicar su comportamiento eléctrico.
2.-
Qué son rayos catódicos?
Loa rayos catódicos, también
conocidos como rayos anódicos o positivos, se define como el haz de partículas
(electrones) que se forman en el interior de un tubo de descarga cuando se
aplica un elevado potencial entre los electrodos.
En 1800 Alessandro Volta
construyó la primera pila, con lo que el misterioso "fluido
eléctrico" resultaba, a partir de entonces, accesible para su estudio.
El estudio de la conductividad de
los gases (realizada a lo largo del s. XIX) proporcionó grandes sorpresas.
A presión ordinaria los gases no
conducían la corriente eléctrica, pero si se extraía gas del tubo (con la
consiguiente reducción de su presión) aparecían una serie de curiosos
fenómenos. Así cuando la presión era de unos
5 mm de Hg el tubo emitía luz cuyo color dependía del gas que llenara el
tubo. A 0,1 mm de Hg aparecían franjas luminosas y oscuras, y cuando la presión
era de tan solo 0,001 mm de Hg una misteriosa luminosidad verde aparecía en la
zona del tubo opuesta al cátodo.
El estudio de esta luminosidad
tuvo una importancia crucial en el desarrollo de la ciencia. Pronto se demostró
que los rayos procedían del electrodo negativo, o cátodo, con lo que fueron
bautizados con el nombre de "rayos catódicos".
3.- Propiedades de los rayos catódicos.
·
Producen
luminosidad a los cuerpos con los cuales se chocan: por ejemplo, en las
paredes de un tubo. Esta última propiedad hizo posible su descubrimiento.
La explicación
de esa luz es la siguiente: los electrones que componen estos rayos tienen una
gran cantidad de energía cinética al chocarse con el vidrio. Este choque hace
que la energía cinética se pierda, transmitiéndole energía a los electrones de
los átomos que componen el vidrio. Dichos electrones se aceleran.
Cuando se
acelera una carga eléctrica, esta emite ondas electromagnéticas. Los electrones
que están en el vidrio irradian ondas electromagnéticas visibles. Estas ondas
poseen una longitud que se encuentra cercana a la velocidad de la luz.
El tubo se pone
en funcionamiento dentro de una cámara oscura y las paredes de dicho tubo se
nota la sombra de la cruz, demostrando de esta manera que la propagación de los
electrones es en línea recta. Los que que no traspasaron por la cruz produjeron
su sombra.
·
Atraviesan
pequeños espesores de materiales: Para demostrar el hecho de que los rayos
están formados por partículas que están dotados de energía cinética, se
construye un tubo que entre el cátodo y el ánodo tenga una hélice que gire con
facilidad. Una vez que el tubo se pone a funcionar, cuando los rayos catódicos
impactan provoca que la hélice sea empujada del cátodo hacia el ánodo.
Cuando el tubo
se pone a funcionar, la hélice es empujada desde el cátodo hacia el ánodo. Esto
se debe al impacto de los rayos catódicos.
·
Se
desvían en presencia de un campo magnético o un campo eléctrico: Son
desviados por un campo magnético debido a que los electrones forman una
corriente eléctrica cuando están en movimiento, y por ende una corriente
eléctrica se sujeta a las fuerzas que posee un campo magnético.
Se desvían
mediante un campo eléctrico debido a que los electrones con carga eléctrica
están sujetos a las fuerzas de dicho campo. Qué son los rayos canales y cuáles
son sus propiedades.
Los rayos canales, también
conocidos con el nombre de anódicos o positivos, son haces de rayos positivos
constituidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan hacia el
electrodo negativo en un tubo de Crookes.
Estos rayos fueron observados por
vez primera por el físico alemán Eugen Goldstein, en el año 1886. Además, el
trabajo realizado por científicos como Wilhelm Wien y Joseph John Thomson sobre
los rayos anódicos, acabaría desembocando en la aparición de la espectrometría
de masas.
Tienen ciertas propiedades las
cuales son:
·
Su carga es positiva e igual o múltiplo entero de la del electrón.
·
La masa y la carga de las partículas que
constituyen los rayos canales varía según la naturaleza del gas encerrado en el
tubo y, generalmente, aquella es igual a la masa atómica de dicho elemento
gaseoso.
Estos rayos anódicos se forman
cuando los electrones van desde el cátodo (-) al ánodo (+), y chocan contra los
átomos del gas encerrado en el tubo. Como las partículas del mismo signo se
repelen, estos electrones que van hacia el ánodo arrancan los electrones de la
corteza de los átomos del gas, el átomo se queda positivo, al formarse un ion
positivo, éstos se precipitan hacia el cátodo que los atrae con su carga
negativa.
La noción de rayos X, en este
sentido, se refiere a las ondas de tipo electromagnético que son emitidas por
los electrones internos de un átomo. Por sus características, los rayos X están
en condiciones de atravesar diferentes cuerpos y de lograr una impresión
fotográfica.
A finales del siglo XIX, en 1895,
Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), científico alemán de la Universidad de
Würzburg, descubrió una radiación (de origen desconocido en aquel momento, y de
ahí su nombre de rayos X) que tenía la propiedad de penetrar los cuerpos
opacos. En el primer párrafo de su comunicado a la Sociedad de Física y
Medicina de Würzburg (1895) relata su descubrimiento del siguiente modo:
Cuando se deja pasar la descarga
de una bobina de Ruhmkorff a través de un tubo de vacío Hittorf o de un Lenard
suficientemente evacuado, Crookes o cualquier otro tubo parecido, cubierto con
una camisa ceñida de cartón negro y fino, y en la habitación totalmente a
oscuras se deja una placa de papel previamente recubierta de una capa de
cianuro de bario y platino, ésta se ilumina cada vez que se produce una
descarga, independientemente de que la superficie recubierta esté apuntando o
no hacia el tubo. Dicha fluorescencia se produce hasta 2 metros de distancia
del aparato. Es fácil convencerse de que la fluorescencia proviene del aparato
de descarga eléctrica y no de cualquier otra parte de la línea.
6.-
Aplicaciones de los rayos X.
Radioterapia:
La radioterapia es una forma de
tratamiento basado en el empleo de radiaciones ionizantes como los rayos X.
Esta aplicación surge de manera muy natural con el descubrimiento de los rayos
X fue la radioterapia. El uso prolongado y no controlado de este tipo de
radiación produjo, desde sus comienzos, efectos dramáticos en los tejidos sanos
de los radiólogos. Los radiólogos de los primeros años desconocían el efecto
nocivo de los rayos X y trabajaban sin ninguna protección. Al paso del tiempo y
con el uso frecuente de los rayos X, la piel enrojecía y se caía el pelo. Esto
sugirió a los científicos que el nuevo tipo de radiación podría utilizarse para
el tratamiento de tumores superficiales. Es interesante hacer notar que ya en
el año de 1899 se consiguió tratar con éxito un cáncer cutáneo con rayos X
(Winau 1973).
Hoy en día, entre los problemas
de salud que afectan a la humanidad, el cáncer es la principal causa de
mortalidad (Mircheva 1994). Se calcula que anualmente ocurren en el mundo 10
millones de nuevos casos de cáncer (la mayoría de éstos se detectan
principalmente en países desarrollados); de estos nuevos casos más del 60%
deben recibir tratamientos con radioterapia (UNSCEAR 1993). La radioterapia
está dirigida a la eliminación radical del tejido anormal o al control de su
crecimiento. Actualmente, la tecnología permite diagnosticar en sus primeros
inicios un tumor así como su tratamiento oportuno, lo cual ofrece mayores
expectativas de vida. El objetivo de la radio- terapia es aplicar una dosis
controlada de radiación ionizante muy intensa a un determinado volumen,
definido por el tamaño del tumor, con el fin de destruir o detener el
crecimiento de células cancerígenas sin causar grave daño al tejido sano que lo
rodea.
La radioterapia externa es la
forma más común para el tratamiento del cáncer. Se lleva a cabo normalmente con
haces de fotones, los cuales pueden producirse de tres maneras diferentes: a)
rayos X de alta energía producida con un acelerador lineal, b) rayos gamma,
producto del decaimiento del 60Co y c) rayos X de baja energía (50-300 keV)
producidos con un tubo convencional de rayos X.
Tomografía axial computarizada:
Es una técnica de imagen médica
que utiliza radiación X para obtener cortes o secciones de objetos anatómicos
con fines diagnósticos.
La técnica de TAC trata de
producir un mapa bidimensional de los coeficientes de atenuación lineal de un
cuerpo tridimensional, a partir de un número muy grande de medidas de
transmisión, llamadas proyecciones. En términos prácticos, este mapa bidimensional
corresponde a una imagen transversal del paciente. Si un conjunto de mapas
bidimensionales son ensamblados, uno detrás del otro, puede obtenerse una
imagen que ahora es tridimensional y que punto a punto da información sobre los
coeficientes de atenuación lineal del paciente, es decir, da información sobre
Radiografía:
De entre los usos médicos de la radiación, el
examen de pacientes con rayos X con el propósito de dar un diagnóstico es, por
mucho, el más frecuente. El objetivo del diagnóstico radiológico es
proporcionar información anatómica al médico sobre el interior del paciente.
Los rayos X constituyen una herramienta ideal para sondear, de manera ``no
invasiva'', el interior del cuerpo humano. Sin embargo, durante la formación de
la imagen existen procesos de deposición de energía en el paciente. Estos
procesos llevan asociado un cierto daño biológico que en algunos casos puede
afectar a la salud del paciente.Aunque las dosis asociadas a este tipo de
exámenes son relativamente pequeñas, la frecuencia con que éstos se llevan a
cabo ocasiona que el impacto social sea considerable.
Es una imagen registrada en una
placa o película fotográfica. La imagen se obtiene al exponer al receptor de
imagen radiográfica a una fuente de radiación de alta energía, comúnmente la
radiación x proceden de isotopos radiactivos(iridio 192, cobalto 60, cesio
137,etc.)
Mamografía:
Concite en una exploración
diagnostica de imagen por rayos de la glándula mamaria, mediante aparatos
denominados mamógrafos, estos aparatos disponen de tubos de emisión de rayos x
especialmente adaptados para conseguir la mayos resolución posible en la
visualización de las estructuras fibroepiteliales internas de la glándula
mamaria.
Fluoroscopia:
La Fluoroscopia es una técnica de
imagen usada en medicina para obtener imágenes en tiempo real de las
estructuras internas de los pacientes mediante el uso de un fluoroscopio. En su
forma más simple, un fluoroscopio consiste en una fuente de rayos x y una
pantalla fruorecente entre las que se sitúa al paciente. Sin embargo, los
fluoroscopio modernos acoplan la pantalla a un intensificadora de imagen de
rayos x y una cámara de vídeo CCD, lo que permite que las imágenes sean grabadas
y reproducidas en un monitor.
7.-
Explique los hechos experimentales que permitieron el descubrimiento de las
partículas subatómicas.
Todo comenzó en la Grecia
clásica, el término ἀτομός atomós 'sin partes, indivisible' (la palabra tomo
'parte' se usa también para referirse a las divisiones de un libro, por
ejemplo) era concebido como la parte más pequeña e indivisible constituyente de
la materia, provisto de unos ganchitos que los mantenían unidos a los otros
átomos.
Fue el desarrollo de la química
la que consiguió establecer un número determinado de constituyentes de toda la
materia existente y medible en la Tierra. Sus hallazgos dieron su mayor fruto
de la mano de Dmitri Mendeléyev, al concretar de una forma sencilla todos los
posibles átomos (definiendo de hecho la existencia de algunos no descubiertos
hasta tiempo después).
Más adelante se descubrió que, si
bien los recién definidos átomos cumplían la condición de ser los
constituyentes de toda la materia, no cumplían ninguna de las otras dos
condiciones. Ni eran la parte más pequeña ni eran indivisibles. Sin embargo se
decidió mantener el término átomo para estos constituyentes de la materia.
La electroquímica liderada por G.
Johnstone Stoney, dio lugar al descubrimiento de los electrones (e-) en 1874,
observado en 1897 por Joseph John Thomson. Estos electrones daban lugar a las
distintas configuraciones de los átomos y de las moléculas. Por su parte en
1907 los experimentos de Ernest Rutherford revelaron que gran parte del átomo
era realmente vacío, y que casi toda la masa se concentraba en un núcleo
relativamente pequeño. El desarrollo de la teoría cuántica llevó a considerar
la química en términos de distribuciones de los electrones en ese espacio
vacío. Otros experimentos demostraron que existían unas partículas que formaban
el núcleo: el protón (p+) y el neutrón (n) (postulado por Rutherford y
descubierto por James Chadwick en 1932). Estos descubrimientos replanteaban la
cuestión de las partes más pequeñas e indivisibles que formaban el universo
conocido. Se comenzó a hablar de las partículas subatómicas.
Más tarde aún, profundizando más
en las propiedades de los protones, neutrones y electrones se llegó a la
conclusión de que tampoco estos (al menos los dos primeros) podían ser tratados
como la parte más pequeña, ni como indivisibles, ya que los quarks daban
estructura a los nucleones. A partir de aquí se empezó a hablar de partículas
cuyo tamaño fuese inferior a la de cualquier átomo. Esta definición incluía a
todos los constituyentes del átomo, pero también a los constituyentes de esos
constituyentes, y también a todas aquellas partículas que, sin formar parte de
la materia, existen en la naturaleza. A partir de aquí se habla de partículas
elementales.
Pero también a finales del siglo
XIX, el físico J.J. Thomson comenzó a experimentar con tubos de rayos
catódicos. Los tubos de rayos catódicos son tubos de vidrio sellados en los que
se ha extraído la mayor parte del aire. Al aplicar un alto voltaje entre los
electrodos, que se encuentran uno a cada lado del tubo, un rayo de partículas
fluye del cátodo (el electrodo negativamente cargado) al ánodo (el electrodo
positivamente cargado). Los tubos se llaman "tubos de rayos
catódicos" porque el rayo de partículas o "rayo catódico" se
origina en el cátodo. El rayo puede ser detectado al pintar el extremo del tubo
correspondiente al ánodo con un material conocido como fósforo. Cuando el rayo
catódico lo impacta, el fósforo produce una chispa o emite luz.
Un diagrama del tubo de rayos
catódicos de J.J. Thomson. El rayo se origina en el cátodo y pasa a través de
una rendija en el ánodo. El rayo catódico se desvía de la placa cargada
negativamente, hacia la placa cargada positivamente. La cantidad por la cual un
campo magnético desvía el rayo ayudó a Thomson a determinar la razón entre la
masa y carga de las partículas que lo conforman.
Para verificar las propiedades de
las partículas, Thomson colocó el tubo de rayos catódicos entre dos placas con
cargas opuestas, y observó que el rayo se desviaba, alejándose de la placa
cargada negativamente y acercándose a la placa cargada positivamente. De este
hecho infirió que el rayo estaba compuesto de partículas negativamente
cargadas.
Thomson también colocó dos imanes
a cada lado del tubo, y observó que el campo magnético también desviaba el rayo
catódico. Los resultados de este experimento ayudaron a Thomson a determinar la
razón masa a carga de las partículas del rayo catódico, que lo llevó a un
descubrimiento fascinante -−minusla masa de cada partícula era mucho, mucho
menor que la de todo átomo conocido—. Thomson repitió su experimento con electrodos
hechos de diferentes metales, y encontró que las propiedades del rayo catódico
permanecían constantes, sin importar el material del cual se originaban. De
esta evidencia, Thomson concluyó lo siguiente:
·
El rayo catódico está compuesto de partículas
negativamente cargadas.
·
Las partículas deben existir como partes del
átomo, pues la masa de cada partícula es tan
Solo 2000
de la masa de un átomo de hidrógeno.
1
·
Estas partículas subatómicas se encuentran
dentro de los átomos de todos los elementos.
Mientras que al principio fueron
controversiales, los científicos gradualmente aceptaron los descubrimientos de
Thomson. Con el tiempo, sus partículas de rayo catódico adquirieron un nombre
más familiar: electrones. El descubrimiento de los electrones refutó parte de
la teoría atómica de Dalton, que suponía que los átomos eran indivisibles. Para
explicar la existencia de los electrones se necesitaba un modelo atómico
completamente nuevo.
8.- Concepciones sobre el átomo según:
a) Dálton: Este modelo propuso una explicación científicamente
verosímil a la mayoría de los enigmas de la química del siglo XVIII y XIX.
Postula que toda la materia del mundo está compuesta por átomos, es decir que
existe un número finito de partículas fundamentales.
Además, sostiene que simplemente
a partir de la combinación de estas partículas, son posibles todas las
estructuras complejas de la materia. El antecesor directo fueron los griegos de
la antigüedad clásica
Los postulados de este modelo
son:
La materia se constituye de
partículas mínimas, indestructibles e indivisibles llamadas átomos.
·
Los átomos de un mismo elemento son siempre
idénticos entre sí, con la misma masa y las mismas propiedades. En cambio, los
átomos de elementos diferentes tienen masas y propiedades distintas.
·
Los átomos no se dividen, ni pueden crearse ni
destruirse durante las reacciones químicas.
·
Los átomos de elementos distintos pueden
juntarse para formar compuestos en diferentes proporciones y cantidades.
·
Cuando se combinan para formar compuestos, los
átomos se ordenan según relaciones simples, describibles mediante números
enteros.
A pesar de la obvia importancia
del Modelo atómico de Dalton en el surgimiento de la química moderna, hay que
notar que esta teoría posee numerosas insuficiencias, como se señaló
posteriormente.
Por ejemplo, Dalton pensaba que
los gases eran sustancias monoatómicas, y que las moléculas se componían
siempre a partir de la menor proporción posible. Esto lo llevó a suponer que el
agua estaba compuesta por un átomo de hidrógeno y otro de oxígeno (HO) y a
calcular erradamente el peso atómico de muchos elementos.
b) Thompson:
El modelos atómico de
Thomson es una teoría sobre la
estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph John Thomson quien descrubio el
electrón en 1897 mucho antes del descubrimiento del protón y del neutrón, La herramienta principal con la que contó
Thomson para su modelo atómico fue la electricidad.
El nuevo modelo atómico usó la
amplia evidencia obtenida gracias al estudio de los rayos catódicos a lo largo
de la segunda mitad del siglo XIX Si
bien el modelo atómico de Dalton daba debida cuenta de la formación de los
procesos químicos, postulando átomos indivisibles, la evidencia adicional
suministrada por los rayos catódicos sugería que esos átomos contenían
partículas eléctricas de carga negativa. El modelo de Dalton ignoraba la
estructura interna, pero el modelo de Thomson aunaba las virtudes del modelo de
Dalton y simultáneamente podía explicar los hechos de los rayos catódicos.
c) Rutherford:
En su modelo atómico, Rutherford
propuso que los átomos tendrían un núcleo central en donde recae el mayor
porcentaje de su masa, dotado de carga eléctrica positiva, y que era orbitado
por partículas de carga opuesta y menor tamaño.
Según sus consideraciones, el
átomo operaba como un sistema solar de electrones orbitando un núcleo atómico
más pesado, como hacen los planetas alrededor del Sol.
El modelo atómico de Rutherford
puede resumirse en las siguientes tres proposiciones:
·
La mayor parte de la masa atómica se concentra
en el núcleo, de mayor tamaño y mayor peso que el resto de las partículas, y
dotado de carga eléctrica positiva.
·
Alrededor del núcleo y a grandes distancias de
él se hayan los electrones, de carga eléctrica negativa, orbitándolo en trayectorias
circulares.
·
La suma de las cargas eléctricas positivas y
negativas de un átomo debería dar cero como resultado, es decir, deberían ser
iguales, para que el átomo sea eléctricamente neutro.
·
Rutherford no sólo propuso esta estructura, sino
que además calculó su tamaño y lo comparó con el tamaño del núcleo, llegando a
la conclusión de que una buena parte de la composición del átomo es espacio
vacío.
El modelo atómico de Rutherford
estuvo vigente durante poco tiempo, siendo sustituido por el modelo atómico
propuesto por físico danés Niels Bohr en 1913, en el cual se incorporaban las
propuestas teóricas desarrolladas por Albert Einstein en 1905.
d) Bohr:
Para solucionar los problemas
planteados, el físico danés Niels Bohr formuló, en 1913, una hipótesis sobre la
estructura atómica. Sus postulados eran:
·
El electrón sólo se mueve en unas órbitas
circulares "permitidas" (estables) en las que no emite energía. El
electrón tiene en cada órbita una determinada energía, que es tanto mayor
cuanto más alejada esté la órbita del núcleo.
·
La emisión de energía se produce cuando un
electrón salta desde un estado inicial de mayor energía hasta otro de menor
energía.
9.-
Naturaleza de la luz. Teoría cuántica y teoría ondulatoria.
Naturaleza de la luz
Desde la antigua Grecia se
consideraba la luz como algo de naturaleza corpuscular, eran corpúsculos que
formaban el rayo luminoso. Así explicaban fenómenos como la reflexión y
refracción de la luz. Newton en el siglo XVIII defendió esta idea, suponía que
la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad por los cuerpos
emisores de luz. Escribió un tratado de Óptica en el que explicó multitud de
fenómenos que sufría la luz.
En 1678 Huygens defiende un
modelo ondulatorio, la luz es una onda. Con este modelo se explicaban fenómenos
como la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de
explicar. Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales
necesitan un medio para poder propagarse, y surgió el concepto de éter como el
"medio" en el que estamos inmersos. Esto trajó aún más problemas, y
la naturaleza del eter fue un quebradero de cabeza de muchos científicos.
La solución al problema la dio
Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética que se propaga en el
vacío. Quedaba ya por tanto resuelto el problema del éter con la aparición de
estas nuevas ondas.
Maxwell se basó en los estudios
de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las ondas luminosas son de
naturaleza electromagnética. Una ONDA ELECTROMAGNÉTICA se produce por la
variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas
de la materia. No necesita ningún medio para propagarse, son ondas
transversales.
Una carga eléctrica oscilando con
una determinada frecuencia, produce ondas electromagnéticas de la misma
frecuencia. La velocidad con la que se propagan estas ondas en el vacío es:
Posteriormente, basándose en la
teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen alemán Albert Einstein
explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de luz, a los que
llamó fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en
determinadas condiciones.
c = 3 10 8 m/s
Teorías
Teoría cuántica: Esta teoría propuesta por el físico alemán Max
Planck establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz solo
son posibles por cantidades finitas o cuantos de luz, que posteriormente se
denominan fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar
los fenómenos de tipo ondulatorio, como son las interferencias, las
difracciones, entre otros. Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis
contradictorias, la teoría de los cuantos y la electromagnética.
Teoría ondulatoria: Fue el científico holandés Christian Huygens,
contemporáneo de Newton, quien elaboraría una teoría diferente para explicar la
naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que la luz
emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al
movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un
medio insustancial e invisible llamado éter. Además, índica que la rapidez de
la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello, explica y describe la
refracción y las leyes de la reflexión.
En sus inicios, esta teoría no
fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo para que
fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del
médico inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico
francés Augeste Jean Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de
manifiesto que su poder explicativo era mayor.
Teoría Corpuscular: Esta teoría fue planteada en el siglo XVII por
el físico inglés Isaac Newton, quien señalaba que la luz consistía en un flujo
de pequeñísimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes
luminosas, que se movía en línea recta a gran rapidez. Gracias a estos fotones
eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a
través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los cospúsculos rebotan por
lo cual no podemos observar los que habría detrás de ellos.
Esta teoría explicaba con éxito
la propagación rectilínea de la luz, la refracción y la reflexión, pero no los
anillos de Newton, las interferencias y la difracción. Además, experiencias
realizadas posteriormente permitieron demostrar que esta teoría no aclaraba en
su totalidad la naturaleza de la luz.
Teoría Electromagnética: En el siglo XIX, se agregan a las teorías
existentes de la época las ideas del físico James Clerk Maxwell, quien explica
notablemente que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos
magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico
origina un cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente. Por lo
tanto, la luz es una onda electromagnética trasversal que se propaga
perpendicular entre sí. Este hecho permitió descartar que existiera un medio de
propagación insustancial e invisible, el éter, lo que fue comprobado por el
experimento de Michelson y Morley.
Sin embargo esta teoría deja sin
explicación fenómenos relacionados con el comportamiento de la luz en cuanto a
la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por
cuerpos incandescentes. Lo anterior da pie a la aparición de nuevas
explicaciones sobre la naturaleza de la luz.
10.-
Concepción actual del átomo.
El átomo es una estructura en la
cual se organiza la materia en el mundo físico o en la naturaleza. Los átomos
forman las moléculas, mientras que los átomos a su vez están formados por
constituyentes subatómicos como los protones (con carga positiva), los
neutrones (sin carga) y los electrones. (con carga negativa).
11.-
Distribución electrónica.
Es la distribución de los
electrones de un átomo en los diferentes estados energéticos determinados por
los orbitales en dicho átomo. Así, mediante la configuración electrónica se
representan los diferentes estados de los electrones presentes en el átomo.
Como resultado de los grandes
esfuerzos realizados por muchos científicos, en la actualidad, la ciencia
dispone de múltiples informaciones, comprobadas en la práctica, acerca de las
leyes de distribución de los electrones en los átomos, partiendo del modelo de
Bohr en la que señalaba la existencia de un núcleo formado por protones y neutrones,
donde está concentrada la masa y la carga positiva del átomo. El electrón gira
en órbitas circulares alrededor del núcleo, pero con algunas restricciones,
como que solamente lo podía hacer en ciertas órbitas, cuya energía se encuentra
cuantizada.
12.-
clasificación de los elementos en la tabla periódica.
Metales alcalinos
Los metales alcalinos incluyen a
los elementos del grupo 1, desde el Litio (Li) hasta el Francio (Fr). El
Hidrógeno está en el grupo 1 pero no es un metal alcalino, de hecho el hidrógeno
muestra muy pocas características metálicas y es frecuentemente categorizado
como un no metal.
Metales alcalinotérreos
Los metales alcalinotérreos
coinciden con el grupo 2, desde el berilio (Be) hasta el radio (Ra). Suelen
tener un punto de fusión muy alto y sus compuestos óxidos forman soluciones
alcalinas muy básicas.
Lantánidos
Los lantánidos son el grupo
formado desde el elemento con número atómico 57, el lantano (La), que le da
nombre al grupo, hasta el elemento de número atómico 71, el Lutecio (Lu). La
capa de valencia de los lantánidos es 4f; junto a los actínidos (5f) forman el
bloque f.
Actínidos
Los actínidos es el grupo que
comprende desde el número atómico 89, el Actinio (Ac), hasta el 103, el
Lawrencio (Lr). La capa de valencia es 5f y son todos son radioactivos. Son
elementos poco abundantes, de hecho solo el torio (Th) y el uranio (U) se dan
en la naturaleza en cantidades significativas.
Metales de transición
Los metales o elementos de
transición se sitúan en el centro de la tabla periódica, en el bloque d, que
abarca desde el grupo 3 al grupo 12. Se caracterizan por tener un orbital d
parcialmente ocupado en su configuración electrónica.
Metales postransicionales
Los metales postransicionales, a
veces referidos simplemente como «otros metales», son el Aluminio (Al), Galio
(Ga), Indio (In), Talio (Tl), Estaño (Sn), Plomo (Pb) y Bismuto (Bi). Estos
elementos se consideran metales pero suelen tener características metálicas más
moderadas; por ejemplo, suelen ser más blandos o relativamente peores
conductores.
Metaloides
Los metaloides son sustancias con
propiedades intermedias entre los metales y los no metales. Se comportan
típicamente como no metales, pero pueden presentar aspecto metálico o conducir
la electricidad en algunas circunstancias. Los elementos metaloides, también
conocidos como semimetales, son el Boro (B), Silicio (Si), Germanio (Ge),
Arsénico (As), Antimonio (Sb), Telurio (Te) y Polonio (Po); a veces se incluye
también al Astato (At).
No metales
Bajo el término «no metales» se
englobarían a todos los demás elementos, desde los halógenos a los gases
nobles, pero es muy frecuente que se utilice para elementos no metálicos que no
se pueden clasificar como halógenos ni como gases nobles, es decir, para
Hidrógeno (H), Carbono (C), Nitrógeno (N), Fósforo (P), Oxígeno (O), Azufre (S)
y Selenio (Se).
Halógenos
Los halógenos son un tipo de
elementos no metálicos que coinciden con el grupo 17 de la tabla periódica, lo
que abarca desde el Flúor (F) hasta el Astato (At), este último a veces
incluido en los metaloides. Los halógenos suelen ser elementos muy reactivos,
por eso es común que se encuentren en la naturaleza formando parte de otras
sustancias y rara vez en forma pura.
Gases nobles
Los conocidos como gases nobles
coinciden con el grupo 18. Todos estos elementos son gaseosos en condiciones
normales de presión y temperatura, no tienen color, no tienen olor, y su gran
estabilidad les hace merecedores del adjetivo común de ser «inertes
químicamente».
13.-
Ley de las tríadas de Dobereiner, ley de las octavas de Newlands, Ley periódica
de Dimitri Ivanovich Mendeleiev.
Ley de las tríadas de Dobereiner
En 1789 Antoine Lavoisier publicó
una lista de 33 elementos químicos, agrupándolos en gases, metales, no metales
y tierras. Aunque muy práctica y todavía funcional en la tabla periódica
moderna, fue rechazada debido a que había muchas diferencias tanto en las
propiedades físicas como en las químicas.
Los químicos pasaron el siglo
siguiente buscando un esquema de clasificación más preciso. Uno de los primeros
intentos para agrupar los elementos de propiedades análogas y relacionarlos con
los pesos atómicos se debe al químico alemán Johann Wolfgang Döbereiner
(1780–1849) quien en 1817 puso de manifiesto el notable parecido que existía
entre las propiedades de ciertos grupos de tres elementos, con una variación
gradual del primero al último. Posteriormente (1827) señaló la existencia de
otros grupos en los que se daba la misma relación —cloro, bromo y yodo; azufre,
selenio y telurio; litio, sodio y potasio.
|
Cl = 35,453 |
Br= 79,907 |
I = 126,949 |
Li= 6,9 |
|
Na = 23 |
K = 39,1 |
Ca= 40 |
Sr = 88,5 |
|
Ba = 137 |
S = 32 |
Se = 79,8 |
Te=127,6 |
A estos grupos de tres elementos
se los denominó tríadas. Al clasificarlas, Döbereiner explicaba que el peso
atómico promedio de los pesos de los elementos extremos, es parecido al del
elemento en medio. Esto se conoció como la Ley de Tríadas. Por ejemplo, para la
tríada cloro - bromo - yodo, los pesos atómicos son respectivamente 36, 80 y
127; el promedio es 81, que es aproximadamente 80; el elemento con el peso
atómico aproximado a 80 es el bromo, lo cual hace que concuerde con el aparente
ordenamiento de tríadas.
Ley de las octavas de Newlands
Entre 1850 y 1865, fueron
descubiertos nuevos elementos, haciéndose además grandes avances en la
determinación de los pesos atómicos, pudiendo darse valores más acertados y
precisos a los pesos atómicos de los elementos ya conocidos, y valores
correctos a los recién descubiertos.
Esta ley mostraba un orden de los
elementos químicos, a los cuales,agrupaba por familias o grupos, que compartían
propiedades muy similares entre sí, y clasificados por periodos de ocho
elementos, en los cuales las propiedades iban cambiando progresivamente.
En 1865, el químico inglés John
Alexander Reina Newlands, intentó solucionar el problema del comportamiento
periódico de los elementos, colocando los elementos más ligeros en orden
creciente según sus pesos atómicos de la siguiente manera:
Li Be B C N O F
Na Mg Al Si P S Cl
K Ca
Newlands se dio cuenta que el
octavo elemento se asemejaba al primero, así como el noveno era similar al
segundo, etc. A esta observación se le llama, “Ley de las octavas de Newland”,
en honor al químico inglés.
Ley periódica de Dimitri Ivanovich Mendeleiev
La ordenación de los elementos
químicos en una tabla periódica fue el gran aporte de Mendeleiev a la Ciencia,
pues esta agrupación por pesos atómicos y valencias permite observar una
regularidad en las propiedades de los elementos. Mendeléyev se percató además
de que una vez ordenados los elementos quedaban tres huecos sin ocupar.
Convencido de que su idea era correcta postuló que los huecos correspondían a
elementos aún no descubiertos e incluso pronosticó sus propiedades, basándose
en las que tenían los demás del mismo grupo.
En el transcurso de los quince
años siguientes se descubrieron dichos elementos y se constató que sus
propiedades coincidían con asombrosa exactitud con las que Mendeleiev había
predicho. En 1955 se nombró mendelevio (Md) al elemento químico de número
atómico 101 en la tabla periódica, en su honor por sus investigaciones en esa
materia.
Entre sus trabajos destacan
también sus estudios acerca de la expansión térmica de los líquidos, el descubrimiento
del punto crítico, el estudio de las desviaciones de los gases reales respecto
de lo enunciado en la ley de Boyle-Mariotte y una formulación más exacta de la
ecuación de estado. En el campo práctico destacan sus grandes contribuciones a
las industrias de la sosa y el petróleo de Rusia.
Ordenó a los 63 elementos que se
conocía, de acuerdo al orden creciente de sus pesos atómicos.
De esta forma, diseña la primera
tabla periódica corta, donde existen 11 filas horizontales llamadas periodos y
8 grupos ó familias que son las columnas verticales.
Había predicho las propiedades de
elementos que aún no habían sido descubiertas, poniéndole el prefijo EKA
aluminio (Ga), EKA Boro (Se), EKA Silicio (Ge), EKA Manganeso (Tc), DVI
Manganeso (Re), EKA Tantalio (Po).
14.-
Estructura electrónica, relación entre tabla periódica y distribución
electrónica, Cómo ubicar un elemento según el grupo, período, familia, serie y
tipo de elemento.
Estructura electrónica
La estructura electrónica de un
átomo describe las energías y la disposición de los electrones alrededor del
átomo. Gran parte de lo que se sabe acerca de la estructura electrónica de los
átomos se averiguó observando la interacción de la luz con la materia. La luz
visible y otras formas de radiación electromagnética (también conocida como
energía radiante) se mueven a través del vacío a la velocidad de la luz, c =
3.00 ϫ 108 m/s. La radiación electromagnética tiene componentes tanto
eléctricos como magnéticos que varían periódicamente en forma ondulatoria. Las
características ondulatorias de la energía radiante permiten describirla en
términos de longitud de onda, l, y frecuencia, n, que están interrelacionadas:
ln = c.
Relación entre tabla periódica y distribución electrónica
Existe una estrecha relación
entre la tabla periódica y la configuración electrónica.
Los átomos que tienen
configuración electrónica que tienen configuran electrónica en S1 pertenecen al
grupo IA de la tabla periódica y tienen un electrón de valencia. Los elementos
que terminan en S2 tienen dos electrones de valencia y pertenecen al grupo IIA
y así sucesivamente. Los grupos o familias (columnas) crecen de derecha a
izquierda en la tabla periódica. En el caso de los metales de transición (parte
central de la tabla periódica) estos tienen electrones de valencia en los
orbitales d; adicionalmente se presentan los elementos de transición interna
los cuales tienen electrones de valencia en orbitales f (14 elementos) que
corresponden a los lantánidos ya los actínidos.
Con la configuración electrónica
también podemos identificar, el nivel de energía mas externo donde están
ubicados los electrones de valencia. Los niveles de energía corresponden a los
períodos de la tabla periódica (1, 2, 3, 4, 5 ,7) y que crecen de arriba hacia
abajo (horizontales)
Ubicación por grupo
Son las columnas verticales de la
tabla. Reciben este nombre por agrupar elementos de propiedades químicas
similares.
En cada grupo aparecen los
elementos que presentan el mismo número de electrones en el último nivel
ocupado o capa de valencia. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 13
contienen 3 electrones en su capa más externa y el último electrón queda en un
orbital p;
B (Z = 5): 1s22s22p1.
Al (Z = 13): 1s22s22p63s23p1.
Ubicación por periodo
Son las filas horizontales de la tabla.
Dentro de un periodo, los elementos están ordenados por número atómico
creciente.
En cada período aparecen los
elementos cuyo último nivel de su configuración electrónica coincide con el
número del período, ordenados por orden creciente de número atómico. Por
ejemplo, el período 3 incluye los elementos cuyos electrones más externos están
en el nivel 3
Na (Z = 11): 1s22s22p63s1.
Al (Z = 13): 1s22s22p63s23p1.
Estos grupos los podemos ubicar
como:
• 1º: Capa K
• 2º: Capa L
• 3º: Capa M
• 4º: Capa N
• 5º: Capa O
• 6º: Capa P
• 7º: Capa Q
Ubicación por familia
Hay 18 grupos en la tabla
periódica estándar, de los cuales diez son grupos cortos y los ocho restantes
largos, que muchos de estos grupos correspondan a conocidas familias de
elementos químicos. La tabla periódica se ideó para ordenar estas familias de
una forma coherente y fácil de ver.
Algunas familias corresponden
exactamente con grupos (columnas) de la tabla periódica; esto no es una
coincidencia, puesto que las propiedades físicas de los elementos de un grupo
provienen de tener una configuración electrónica similar, que hace que estos
elementos se coloquen en el mismo grupo de tabla periódica.
Ubicación por serie
La serie en química es un
conjunto de elementos químicos cuyas propiedades varían progresivamente desde
el inicio al fin de la serie. Las series fueron descubiertas antes de la Tabla
Periódica.
En la tabla periódica, los
elementos químicos también pueden ser clasificados en conjuntos, llamados
series químicas, de acuerdo con su configuración electrónica.
·
Elementos
representativos: pertenecientes a los grupos 1, 2 y dos grupos de 13 a 17.
·
Elementos
(o metales) de transición: pertenecientes a los grupos de 3 a 12.
·
Elementos
(o metales) de transición interna: pertenecientes a las series de los
lantánidos y de los actínidos.
·
Gases
nobles: pertenecientes al grupo 18.
Ubicación por tipo de elemento
Se define como aquella
clasificación en la tabla periódica el cual agrupa los elementos según las
propiedades químicas y físicas que sean semejantes al grupo de elementos.
Estos grupos los podemos ubicar
como:
Metales: Ellos constituyen la mayoría de los elementos de la tabla.
Son buenos conductores de electricidad y calor, son maleables y dúctiles,
poseen brillo metálico característico y son sólidos, con excepción del
mercurio.
No metales: Son los más abundantes en la naturaleza y al contrario
de los metales, no son buenos conductores de calor y electricidad, no son
maleables y dúctiles y no poseen brillo.
Gases Nobles: Son en total 6 elementos y su característica más
importante es la inercia química.
Hidrógeno: El hidrógeno es un elemento considerado aparte por tener
un comportamiento único entre los demás elementos.
15.-
Propiedades de la tabla periódica: Radio atómico, potencial de ionización,
electronegatividad, afinidad electrónica, valencia.
Son las características que
tienen los elementos y que varían en forma secuencial por grupos y períodos.
Algunas de esas propiedades son:
Radio atómico: los electrones se ubican en diferentes niveles
alrededor del núcleo, y el radio atómico es la distancia más probable entre los
electrones de la capa y el núcleo. La expresión probable se debe a los
electrones no describen órbitas cerradas. Disminuye a lo largo del periodo y
aumenta hacia arriba y hacia abajo dentro de un grupo de la tabla.
Potencial de ionización: es la energía necesaria para quitar un
electrón a un átomo neutro, convirtiéndolo en un catión. Depende de la energía
con la que cuenta el elemento en cuestión traiga sus electrones. E n un grupo el valor disminuye de arriba
hacia abajo. En un periodo aumenta desde la izquierda hacia la derecha.
Electronegatividad: es la tendencia que tiene un elemento de atraer
los electrones de enlace de otros elementos. En la tabla periódica la
electronegatividad aumenta en los periodos de izquierda a derecha y los grupos
de abajo hacia arriba.
Afinidad electrónica: La afinidad electrónica se define como la
energía intercambiada (suele liberarse) cuando un átomo gaseoso aislado y en
estado fundamental coge un electrón para formar un anión.
Valencia: En química, hablamos de valencia para referirnos al
número de electrones que un átomo de un elemento determinado posee en su último
nivel de energía, es decir, en su órbita más externa. Estos electrones son de
especial relevancia pues son los responsables de los enlaces covalentes
(covalente: comparten valencia) e intervienen a la hora de las reacciones
químicas.
Juego didáctico Diseñado:
Resolver la tabla periódica mediante un puzzle mediante
aplicación para Android
Ejemplo del juego lo puede ver en el siguiente link:
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