DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA FÍSICA Y QUÍMICA 4º DE ESO

TEMA 7. ELEMENTOS Y COMPUESTOS Elementos y compuestos (Actividad 1) El físico británico John Dalton dio a conocer entre los años 1803 y 1808 la primera teoría atómica moderna. Lee detenidamente las páginas 138, 139, 140 y 141 del libro y contesta las siguientes preguntas: 1.- ¿Qué hecho importante sucedió en España (incluido Móstoles) el año 1808, cuando Dalton daba a conocer su teoría atómica? 2.-Las teorías científicas son “provisionales”, es decir, cambian cuando se hacen descubrimientos nuevos que contradicen la teoría vigente. Lo mismo sucedió con la teoría atómica de Dalton. De acuerdo con esta teoría: 2.a.- ¿Qué son los átomos? ¿Se pueden dividir? 2.b.- ¿Qué es lo que hace a un átomo diferente de otro? 2.c.- ¿Cuántos tipos de átomos diferentes crees que existen? 2.d.- ¿Qué es un elemento químico? ¿Y un compuesto químico? 2.e.- ¿Hay más elementos químicos que átomos diferentes? 2.f.- ¿Qué son las moléculas? Abajo tienes un dibujo para aprender a distinguir entre “átomo” y “molécula”.

3.-Observa los cinco diagramas que representan a cinco sustancias. Escribe para cada uno de ellos si se trata de elementos o de compuestos.

4.-Indica cuáles de las sustancias de los dibujos anteriores son sólidas, líquidas y gaseosas, explicando por qué (teoría cinético-molecular). Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

1

5.-Repasa de nuevo los principios de la teoría atómica de Dalton, que se encuentra en la página 138 del libro e indica en qué crees tú que se equivocó.. 6.-¿Cuáles son las 3 clases de partículas que forman a los átomos (partículas subatómicas)?

Elementos y compuestos (Actividad 2) En 1897, el físico británico J. J. Thomson descubrió la primera de las partículas subatómicas: el electrón. Los electrones son las unidades diminutas que componen la corriente eléctrica. La materia (formada por átomos) y la electricidad están relacionados. Por ejemplo: ● Algunos materiales al ser frotados se electrizan. Por ejemplo, al frotar con la manga de tu jersey un bolígrafo o una regla de plástico se electrizan y atraen pequeños trozos de papel. ● Cuando se hace pasar la corriente eléctrica a través de algunas sustancias, se descomponen en otras más sencillas (electrolisis). Por eso, cuando se descubrieron los electrones, inmediatamente se supuso que formaban parte de la materia, es decir de los átomos. Vuelves a revisar las páginas 138, 139, 140 y 141 del libro para contestar las siguientes preguntas: 1.-¿Cómo se descubrieron los electrones? 2.-¿Cómo son los electrones? ¿Son todos iguales? Los átomos son neutros. Los electrones (que tienen carga negativa) forman parte de ellos, por tanto, deben existir otras partículas con carga positiva que los neutralicen. 3.-¿Cómo se llaman estas partículas? Los neutrones son partículas que no tienen carga, son neutros. Su masa es parecida a la del protón, aproximadamente unas 2000 veces mayor que la del electrón. 4.-Rellena con ayuda del libro la tabla de la izquierda. La de la derecha la rellenará el profesor en clase. Protón

Electrón

Neutrón

Protón

Electrón

Neutrón

Carga:

Carga:

Carga:

Carga:

Carga:

Carga:

Masa:

Masa:

Masa:

Masa:

Masa:

Masa:

5.-Supón que “agrandamos” un electrón hasta que su masa sea de un gramo. ¿Cuál sería entonces la masa de un protón o de un neutrón (en kilogramos)? 6.-La masa del átomo más pequeño, el de hidrógeno, es unas 2000 veces mayor que la de un electrón. ¿De qué partículas subatómicas está constituido el átomo de hidrógeno? ¿Podría estar formado exclusivamente de electrones? 7.-¿Recuerdas en qué parte del átomo están colocados los tres tipos de partículas? ¿Qué es el núcleo atómico?

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

2

Elementos y compuestos (Actividad 3) El físico británico J. J. Thomson, además de descubrir el electrón propuso un modelo atómico muy elemental cuando todavía no se habían descubierto ni el protón ni el neutrón. Este modelo atómico pronto fue modificado por uno de sus discípulos, E. Rutherford. 1.-¿Cómo era el modelo atómico propuesto por Thomson? Dibújalo. Se le llamaba el modelo del pastel relleno de pasas. ¿Qué representaban el pastel y las pasas? Los rayos α (se lee “alfa”) son partículas diminutas (mucho más pequeñas que los átomos) que, como pequeñas balas, emiten las sustancias radiactivas*. Rutherford se dedicó a bombardear con estas partículas una fina lámina de oro ( un “pan de oro”). Estas partículas atravesaban la lámina como si no hubiera nada en su camino y muy pocas se desviaban ligeramente. 2.-Si mayoría de las partículas alfa atraviesan la lamina de oro como si nada, ¿cómo te imaginas que son los átomos que forman dicha lámina, huecos o macizos? Aquí tienes un detalle de la lamina de oro, agrandada, que debe ser atravesada por las partículas alfa. Cada bola representa un átomo de oro

Lo sorprendente es que, de vez en cuando, alguna partícula α choca contra “algo” dentro de la lámina de oro y rebota (aproximadamente una partícula de cada cien). Rutherford dedujo que dentro de cada átomo debía de haber una porción maciza y, además, muy pequeña, ya que muy pocas partículas hacían “diana”. 3.-¿Cómo se llama la zona maciza que hay en el interior de cada átomo? 4.-¿Qué partículas subatómicas forman esa zona maciza? 5.-¿Dónde se encuentran situados los electrones? ¿Qué hay entre los electrones y la zona maciza del átomo? Acabas de describir el modelo atómico de Rutherford, llamado modelo nuclear, el cual fue propuesto en el año 1.911. 6.-¿Cuántos años separan el modelo atómico de Dalton del modelo atómico de Rutherford? 7.-Dibuja un átomo con dos protones, dos electrones y un neutrón de acuerdo con el modelo de Rutherford. 8.-¿Es compatible el modelo atómico de Thomson con los experimentos de Rutherford? 9.-El tamaño del núcleo es entre 10.000 y 100.000 veces más pequeño que el tamaño del átomo. Si el núcleo midiera un milímetro, ¿cuántos metros mediría el átomo?

*La radiactividad: Las sustancias radiactivas (radio, uranio, torio, etc.) emiten continuamente radiaciones de tres tipos: rayos α (alfa), rayos β (beta) y rayos γ (gamma). Los rayos β son chorros de electrones; los rayos α son chorros de partículas positivas, más masivas que los electrones, pero bastante más pequeñas que cualquier átomo; finalmente, los rayos γ no tienen carga, son ondas electromagnéticas, como la luz visible, pero muchísimo más energéticas.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

3

Elementos y compuestos (Actividad 4) Vuelve a leer la página 139 del libro: 1.-¿Qué es el número atómico, Z? ¿Y el número másico, A? Lo que caracteriza a un átomo determinado (se conocen unos cien tipos) es su número atómico, Z. Por ejemplo, el átomo con Z = 8 es el oxígeno y sólo él. El oro tiene Z = 79, dato exclusivo del oro. Los átomos se representan de la siguiente manera:

A Z X.

Vamos a ponerlo en práctica:

2.-Averigua cuántos protones, neutrones y electrones tienen los siguientes átomos: 1 35 238 16 15 1H , 17 Cl , 92 U , 8 O , 7 N

y

40 20 Ca

3.-Un átomo tiene 8 protones y 8 neutrones, ¿de qué átomo se trata? ¿Y si tuviera 8 protones y 9 neutrones? ¿Y si tuviera 7 protones y 16 neutrones? 4.-¿Qué son átomos isótopos? Mira en el margen de la página 139 los tres isótopos conocidos del hidrógeno. 5.-Prácticamente todos los elementos químicos están formados por mezclas de isótopos. Por ejemplo, se conoce el 35 17 Cl

y el 37 17 Cl . Ambos son átomos de cloro. El cloro tiene dos isótopos. ¿Recuerdas lo que es un elemento químico? Completa la definición de elemento usando la palabra isótopo. 6.-¿Cuál es el átomo más pequeño que se conoce? La masa de los átomos no se expresa en gramos, son demasiado pequeños. Los químicos se han inventado una unida nueva. Se llama unidad de masa atómica, abreviadamente uma (o simplemente: u). Al principio se escogió como unidad de masa atómica la del átomo más pequeño, el hidrógeno (el 11H ), al que se le daba el valor de 1 uma. Sin embargo, actualmente se define de la siguiente manera: 1 uma = doceava parte de la masa del átomo de La masa del

12 6C

12 6C

es de 12 uma y tiene 6 protones y 6 neutrones.

7.-Dibuja el 126 C . La masa de este átomo depende de las 12 partículas de su núcleo. ¿Por qué? ¿Por qué no depende también de la masa de sus 6 electrones? 8.-¿Cuantas “umas” es aproximadamente la masa de un protón? ¿Y la de un neutrón? 9.-Fíjate en el 197 79 Au . ¿Cuál es su número másico? ¿Cuántas partículas tiene en el núcleo? ¿Cuál será la masa (en uma) de este átomo? ¿Se parece el dato de la masa de un átomo a su número másico? (Busca este dato para el oro en la tabla periódica que tienes en la página 143 o en la 224). 10.- Observa con detenimiento en una tabla periódica los datos de las masas atómicas de los elementos químicos. ¿Por qué crees que los datos de las masas atómicas no son números enteros? ¿No deberían serlo? 11.-Mirando la tabla periódica indica cual es la masa de: a) el átomo de hidrógeno, H; b) el átomo de oxígeno, O; c) la molécula de agua H2O; d) la molécula de glucosa, C6H12O6.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

4

Elementos y compuestos (Actividad 5) ¿Cómo se distribuyen los electrones alrededor del núcleo? ¿Todos en la misma órbita? ¿En diferentes órbitas? El físico danés N. Bohr propuso, en 1913, un modelo atómico que contestaba estas cuestiones. Es un modelo atómico también nuclear, como el de Rutherford. 1.-En la página 141 del libro tienes resumido el modelo atómico de Bohr en cuatro apartados. Resúmelo y añade este otro apartado: ● “En la primera capa (o nivel u órbita) caben 2 electrones, en la segunda 8; la primera capa es la que primero se llena, cuando está completa los electrones se sitúan en la segunda capa. Cuando la segunda capa está completa, los electrones van llenando la tercera capa, y cuando tiene 8 electrones, se empieza a llenar la cuarta”. Observa bien los dibujos de abajo. Dibuja mediante puntos los electrones que hay en cada capa, de acuerdo con el modelo de Bohr. Hidrógeno Z = 1 Helio Z = 2

Litio Z = 3

Fósforo Z = 15

Potasio Z = 19

Estos son los dibujos de las distribuciones electrónicas de algunos átomos en diferentes capas. En lugar de dibujar los átomos se puede escribir la llamada configuración electrónica, que consiste en escribir el nombre del elemento seguido del número de electrones de cada capa. Así, la configuración electrónica de los átomos de arriba sería: H (1) He (2) Li (2, 1) P (2, 8, 5) K (2, 8, 8, 1) 2.-Haz un dibujo de la distribución electrónica y escribe la configuración electrónica de los átomos: a) Carbono (Z = 6); b) flúor (Z = 9); nitrógeno (Z = 7); magnesio ( Z =12) y calcio ( Z = 20). 3.-Según el modelo atómico de Borh, ¿puede un electrón situarse entre dos órbitas o capas? 4.-¿Cuántos electrones caben en la capa 1? ¿Y en la 2? ¿Y en la 3? 5.-¿Por qué la configuración electrónica del potasio es K (2, 8, 8, 1) y no K (2, 8, 9)? 6.-¿Cuántas y qué partículas hay en el núcleo del 188 O ? ¿Cuál es su configuración electrónica? ¿Cuál es su número atómico? ¿Y su número másico? ¿Y su masa atómica (en uma)?

● Finalmente, lee la página 142 del libro para saber cuál ha sido el siguiente modelo atómico que perfecciona al de Bohr. Se llama modelo atómico de orbitales y se basa en las ideas expuestas por el físico austriaco E. Schrödinger y el físico alemán W. K. Heisemberg.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

5

Elementos y compuestos (Actividad 6) Lee la página 143, 144 y 145 del libro. Recuerda que un elemento químico es una sustancia formada por una sola clase de átomos. En la naturaleza hay 92 elementos. Los científicos han conseguido fabricar artificialmente más, hasta llegar, de momento, a 112, ya que con el transcurso del tiempo, esta cifra se irá incrementando. Los elementos se pueden agrupar en “familias” con propiedades muy semejantes. Para destacar estas semejanzas se han clasificado por orden de número atómico creciente, disponiéndose de una forma especial, que se concreta en la llamada TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS. Vamos a estudiar, por el momento, los veinte primeros elementos de esa tabla. Los tienes representados a continuación. En las columnas verticales, llamadas grupos se sitúan los elementos con propiedades químicas muy parecidas. IA

IIA

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

Z=1 H

Z=2 He

Z=3 Li

4

11

12 Mg

Na 19

VIIIA

5 Be

6 B

13

7 C

14 Al

8 N

15 Si

9 O

16 P

10 F

17 S

Ne 18

Cl

Ar

20 K

Ca

1.-Realiza las configuraciones electrónicas (Diagrama de Moeller) de los elementos del grupo IA, llamados alcalinos (Li, Na y K). ¿Qué tienen en común en sus configuraciones los tres? (la pregunta 4 te puede dar alguna pista) 2.-Realiza las configuraciones electrónicas de los elementos de los demás grupos. ¿Qué tienen en común las configuraciones de los elementos de un mismo grupo? 3.-¿Encuentras alguna relación entre semejanza de propiedades y distribución electrónica? En la página 143 del libro tienes una tabla periódica completa. La numeración de las columnas es diferente. Hay diversos criterios de clasificación. 4.-¿Cuántos electrones crees que tienen en la capa más externa los siguientes átomos?: rubidio (Rb), estaño (Sn), bromo (Br) y yodo (I) 5.-¿Cómo se denominan las filas horizontales? ¿Y las columnas verticales? 6.-Cuál es el criterio de ordenación de los elementos en la tabla periódica? 7.- Realiza las configuraciones electrónicas de los siguientes elementos (busca el número atómico en la tabla periódica): a) Cr, b) Fe, c) La (lantano). Haz una lectura comprensiva de las páginas 146 y 147.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

6

Elementos y compuestos: El enlace químico (Actividad 7) Recuerda que, excepto los gases nobles (helio, neón, argón, etc.), a temperatura ambiente, los átomos aislados no existen. Se unen unos con otros para conseguir tener en su capa externa o capa de valencia estructura de gas noble, es decir, ocho electrones. Este hecho se conoce como REGLA DEL OCTETO (algunos átomos como el litio o el berilio no pueden tener ocho electrones externos, sino dos, es decir, pueden obtener la estructura del gas noble helio).

► Las uniones entre átomos se llaman enlaces químicos. Lee detenidamente las páginas 148 y 149 del libro y contesta las siguientes preguntas: 1.- ¿Cuáles son los tipos de enlace químico? 2.-Se puede dar un ENLACE IÓNICO entre dos no metales? ¿Y entre dos metales? ¿Por qué? 3.-¿Por qué el enlace entre metal y no metal se llama enlace iónico? ● Observa, si se pregunta qué tipo de compuesto dará el magnesio (Z = 12) y el cloro (Z = 17), diríamos que será un compuesto iónico, porque se va a unir un metal con un no metal de la siguiente manera: Mg:

1s2 2s2 2p6 3s2 – 2 electrones →

Mg2+: 1s2 2s2 2p6

Cl:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 + 1 electrón →

Cl–:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

Cada catión Mg2+ se neutraliza con dos aniones Cl–. Estos iones formarán una red cristalina (ordenada) en la que por cada 2 aniones Cl– hay 1 catión Mg2+, y la fórmula del compuesto será MgCl2. 4.-¿Cuál es el estado de agregación más corriente en las sustancias iónicas? 5.-¿Por qué se atraen los aniones y los cationes? 6.-¿Qué puedes decir de la dureza, el punto de fusión y el punto de ebullición de las sustancias iónicas? 7.-¿Qué tipo de compuesto darán el O y el Mg? (busca el valor de Z en la tabla periódica). ¿Y el Na con el O?

► El ENLACE COVALENTE se produce cuando se unen “no metales” con “no metales” y pueden dar moléculas (como H2O, O2, BrCl3, etc) o cristales covalentes (como el cuarzo, SiO2 o el diamante, C). Al ser moléculas, muchísimas sustancias covalentes son gaseosas o líquidas a temperatura ambiente. Y si son sólidas, tienen bajos puntos de fusión. Es decir, una vez que se han formado las moléculas, entre ellas pueden unirse con mayor o menor fuerza. En el caso del O2, el H2, el N2, el CO2, o el F2., las fuerzas intermoleculares son muy débiles, las moléculas están dispersas, y las sustancias son gaseosas. En cambio las fuerzas de unión entre las moléculas de H2O son más intensas. Las moléculas permanecen en contacto aunque con libertad para deslizarse unas sobre otras. Por lo tanto, esta sustancia, agua, es líquida. Hay sustancias covalentes como el diamante, C, que son sólidos muy duros, mucho más que los sólidos iónicos y con altos puntos de fusión y ebullición. Cada átomo de carbono se une con otros cuatro, formando una RED CRISTALINA COVALENTE.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

7

► Lee detenidamente las páginas 150, 151 y 152 (hojea la 153), y realiza las siguientes actividades: 8.-Representa, mediante diagramas de Lewis las moléculas de agua, H2O; nitrógeno N2; bromo, Br2; amoníaco, NH3 y metano, CH4. 9.-¿Qué tipo de enlace hay en el SiO2? ¿Y en el CO2? ¿Por qué el SiO2 es sólido y el CO2 es un gas a temperatura ambiente? 10.-Intenta representar la molécula de F3 mediante diagramas de Lewis. ¿Crees que existe esta molécula? 11.-¿El diamante es un elemento o un compuestos? ¿Y el cuarzo? 12.-¿A qué se debe la capacidad de los metales para conducir la corriente eléctrica? ¿En qué se diferencia de la conductividad iónica? 13-¿En qué se parece el enlace metálico al iónico? ¿Y al covalente? 14.-¿Tiene sentido hablar de moléculas en los compuestos iónicos? ¿Representa NaCl una molécula? 15.-Clasifica según su tipo de enlace las siguientes sustancias químicas: Hierro, Fe; dibromuro de magnesio, MgBr2; monóxido de carbono, CO y cobre Cu. 16.-¿Qué enlace te parece más fuerte, el covalente o el iónico? 17.-Para que los compuestos iónicos conduzcan la corriente se deben disolver, ¿por qué?. Cuando están fundidos (líquidos) también lo hacen ¿por qué? 18.-Tienes cuatro etiquetas: “red cristalina covalente”, “red cristalina iónica”, “red cristalina metálica” y ”moléculas”. Pon la correspondiente etiqueta a cada uno de los dibujos de abajo.

Actividades 4º ESO. Tema 7: Elementos y compuestos. Luis Ruiz Martin

8