qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiop UD2. Estructura de la materia. asdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjk 3º ESO lzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmrtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyu iopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiop asdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjk Dto. FyQ. IES Flavio Irnitano

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Física y Química 3º ESO

UD2. ESTRUCTURA DE LA MATERIA 1. HISTORIA: MODELOS ATÓMICOS Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia. Los filósofos de la antigüedad Grecia creían que la materia estaba constituida por cuatro elementos básicos conocidos: agua, tierra, fuego y aire. Toda materia conocida poseía en mayor o menor proporción cantidades de estos cuatro elementos. No obstante, unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración. La alquimia es una de las ciencias cuyo solo nombre evoca ya las más contrarias y diversas reacciones: atracción, desprecio, curiosidad, incertidumbre... sentimientos opuestos, provocados en parte por la falta de información concisa sobre su origen y desarrollo. Ha sido innata en el hombre desde los albores de su existencia. A medida que el influjo árabe se iba adentrando en Europa, nuevos hombres se dedicaron al estudio de la nueva disciplina. Los nombres que la historia señala son bien conocidos y entre ellos destacan los de San Alberto Magno (1193-1280), el mallorquín Ramón Llull (1232-1315), Roger Bacon (c. 1213-1294), Arnaldo de Vilanova (c. 1250-1311), Paracelso (1493-1541) e incluso Newton. Dejando aparte su faceta misteriosa y oculta, hay que hacer notar que la alquimia contribuyó de forma muy importante al progreso de la química de laboratorio. Nuevos aparatos como el alambique y nuevas técnicas como la destilación se convirtieron el algo de uso cotidiano, al mismo tiempo que se descubrían sustancias hasta entonces ignoradas como el aceite de vitriolo (ácido sulfúrico), el agua regia, el agua fuerte (ácido nítrico), el amoníaco, etc. Pero la alquimia era ante todo una ciencia hermética alrededor de la cual se fue tejiendo un halo de misterio y secreto, originado en parte por las aspiraciones extrañas y a menudo incomprensibles de algunos de sus seguidores, así como por la forma simbólica y casi indescifrable de sus escritos. No es fácil resumir en pocas palabras la labor de un alquimista. Esta se centraba especialmente en tres facetas distintas: por una parte la búsqueda de la piedra filosofal, en presencia de la cual todos los metales podían ser convertidos en oro; en segundo lugar el descubrimiento del elixir de larga vida, imaginado como una sustancia capaz de evitar la corrupción de la materia y por último la consecución de la "Gran Obra", cuyo objetivo era elevar al propio alquimista a un estado superior de existencia, en una situación privilegiada frente al Universo. En 1808 Dalton publicó un trabajo científico titulado A New System of Chemical Philosophy, en el que presentó su visión sobre los átomos, recogiendo de paso gran parte de las afirmaciones de los filósofos griegos a partir del siglo 400 a.c. En resumen, sus conclusiones y nuevas proposiciones en este tema se encuentran en los cuatro siguientes puntos: • Cada elemento está constituido por partículas pequeñas, llamadas ATOMOS. • Los átomos de un elemento dado, son idénticos; los átomos de elementos diferentes, son distintos en algún aspecto. Incluso les asoció un símbolo. • Los compuestos químicos se forman cuando los átomos se combinan entre sí. Un compuesto dado tendrá siempre la misma proporción de átomos de un mismo tipo, independiente del método experimental de preparación. • Las reacciones químicas implican reorganización de los átomos produciendo cambios en la forma que se unen o forman enlaces.

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Mod elo atóm ico de Dalt om

Símbolos que dió Daltom a los elementos conocidos en su época En 1886 Eugen Goldstein descubrió los rayos canales utilizando un tubo de rayos catódicos con el cátodo perforado. Los rayos canales atravesaban las perforaciones del cátodo iluminando la zona posterior de este. Al comprobar que los rayos canales eran partículas positivas y que su masa dependía del gas encerrado en el tubo, llamó protones a las partículas que se liberaban al usar hidrógeno gaseoso.

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Tubo de rayos catódicos La identificación, en 1987, por J.J. Thomson de unas partículas subatómicas cargadas negativamente, los electrones, a través del estudio de los rayos catódicos, y su posterior caracterización, le llevaron a proponer en 1904 un modelo de átomo que explicara dichos resultados experimentales. Se trata del modelo atómico de Thomson conocido informalmente como el pudín de ciruelas, según el cual los electrones eran como 'ciruelas' negativas incrustadas en un 'pudín' de materia positiva.

Modelo de Thomson Rutherford, en 1911, basándose en los resultados obtenidos en sus experimentos de bombardeo de láminas muy delgadas de oro con partículas alfa y observando que casi todas atravesaban la lámina sin inmutarse pero que algunas se desviaban e incluso rebotaban , (“ era como disparar sobre una hoja de papel y que rebotara la bala”) estableció el llamado modelo atómico de Rutherford o modelo atómico nuclear. El átomo está formado por dos partes: núcleo y corteza. El núcleo es la parte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo. Esta carga positiva del núcleo, en la experiencia de la lámina de oro, es la responsable de la desviación de las partículas alfa (también con carga positiva). La corteza es casi un espacio vacío, inmenso en relación con las dimensiones del núcleo. Eso explica que la mayor parte de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro sin desviarse. Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa. Como en un diminuto sistema solar, los electrones giran alrededor del núcleo, igual que los planetas alrededor del Sol. Los electrones están ligados al núcleo por la atracción eléctrica entre cargas de signo contrario. Mediante diversos experimentos se comprobó que la masa de protones y electrones no coincidía con la masa total del átomo; por tanto, Rutherford supuso que tenía que haber otro tipo de partícula subatómica en el núcleo de los átomos. Estas partículas se descubrieron en 1932 por J. Chadwick. Al no tener carga eléctrica recibieron el nombre de neutrones. El hecho de no tener carga eléctrica hizo muy difícil su descubrimiento. Los neutrones son partículas sin carga y de masa algo mayor que la masa de un protón.

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Experimento de Rutherford

Modelo atómico de Rutherford

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2. ÁTOMO Y ELEMENTO QUÍMICO. COMPUESTOS. Un elemento químico es aquella sustancia que no puede descomponerse en otras más simples manteniendo todas sus propiedades físicas y químicas. Cada elemento químico está formado por un único tipo de átomos. A veces por pocos átomos, como el oxígeno que respiramos que sólo tiene dos y otras veces por millones de ellos, como en una pepita de oro. Los elementos químicos se ordenan y representan en una tabla llamada tabla periódica de los elementos. Los elementos químicos se simbolizan mediante nombres ya dados en la antigüedad, mediante una o dos letras (la primera en mayúsculas) derivadas de su nombre en griego o en latín. Ej. Sodio (Na) : Natrium

Potasio (K) : Kalium

Cobre (Cu) : Cuprum

Hierro (Fe) : Ferrum

Plata (Ag) : Argentum

Oro (Au): Aurum

Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, formando “átomos compuestos” (hoy llamadas moléculas). Por ejemplo el agua es un compuesto formado por los elementos hidrógeno y oxígeno. La sal de mesa por los elementos sodio y cloro. A fin de representar las sustancias compuestas se utiliza una simbología denominada fórmula química. El número de átomos enlazados en la fórmula química de un compuesto indica qué átomos y en qué proporción se encuentran unidos para formarlo. Este número se coloca en la parte inferior derecha del elemento químico. Por ejemplo la fórmula química del agua es H2O. Indica que una molécula de agua siempre estará constituida por hidrógeno y oxígeno y que habrá dos átomos del primero y uno del segundo.

3. NÚMERO ATÓMICO. Número atómico es el número de protones que contiene el núcleo, se representa con la letra Z. El número atómico es único para cada elemento y sirve para diferenciar unos elementos de otros: Dos elementos iguales siempre tienen el mismo número de protones (mismo número atómico). Ejemplo: Cualquier átomo de hidrógeno siempre tendrá un protón. Dos elementos diferentes nunca tienen el mismo número de protones (distinto número atómico). Ejemplo: La diferencia entre el hidrógeno y el helio, es que el hidrógeno (Z=1) tiene un protón y el helio (Z=2) tiene dos protones. Si el átomo es neutro (mismo número de cargas positivas y negativas), el número atómico coincide con el número de electrones, sólo en este caso. Este número se escribe abajo y a la izquierda del símbolo del elemento químico, 20Ca.(20 protones)

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4. NÚMERO MÁSICO. El número másico (A) se refiere a el número de protones (Z) más neutrones (N) que tiene un elemento en su núcleo. Indistintamente a unos y otros se les llama nucleones por encontrarse en el núcleo. Se encuentra ubicado en la parte superior izquierda del símbolo químico, 40Ca, (El Calcio tiene 20 protones + 20 neutrones ) A=Z+N 5. ISÓTOPOS. Los isótopos son átomos de un mismo elemento (una misma Z) que tienen diferente número másico (A). Es decir, átomos que tienen el mismo número de protones (Z) pero diferente número de neutrones (N) Ejemplo de isótopos. Tengamos el átomo y el átomo . Ambos son del mismo elemento (Boro) dado que los dos tienen de número atómico 5 (número de protones del núcleo), se diferencian en el número másico. Uno de ellos tiene A = 11 de número másico ( 5 protones + 6 neutrones) y el otro A = 10 (5 protones + 5 neutrones). Ambos átomos del mismo elemento que se diferencian en el número másico se denominan isótopos de dicho elemento. Por tanto los isótopos del mismo elemento se diferencian en el número de neutrones.

6. IONES. Son átomos cargados (positivos o negativos). Como el núcleo es intocable con las energías que aparecen en las reacciones químicas, la única forma de que un átomo se cargue eléctricamente es quitando o poniendo electrones: • Iones positivos, también llamados cationes, son átomos que han perdido electrones. Cada electrón que pierden es una carga positiva que queda en exceso en el núcleo. • Iones negativos, también llamados aniones, son átomos que han ganado electrones. Cada electrón que ganan es una carga negativa en exceso sobre los protones del núcleo. Los átomos neutros tienen tantos protones (carga positiva) como electrones (carga negativa). Como ambas partículas tienen la misma carga pero con distinto signo, al tener la misma cantidad de ambas el átomo es neutro. Cuando quitamos electrones quedan más cargas positivas que negativas y cuando añadimos electrones tenemos más cargas negativas que positivas. De esta forma se crean los iones. El número de cargas eléctricas, es el número de cargas positivas o negativas que tienen los átomos ionizados de un elemento químico. Este número, con su signo, se encuentra colocado en la esquina superior derecha del elemento químico. Así: Ca2 + :: representa un ión positivo (catión) de Calcio. El átomo ha perdido 2 electrones. S2 -

: representa un ión negativo (anión) de Azufre. El átomo ha ganado 2 electrones.

7. REPRESENTACIÓN DE LOS ÁTOMOS. Se utiliza el siguiente sistema de símbolos para representar un átomo o conjunto de átomos: A Z

Xcarga

Donde X será el símbolo del elemento. Z es el número atómico y A el número másico. En caso de que sea un ión, indicar la carga. Como comprenderás no siempre se colocan todos estos símbolos rodeando al elemento, se ponen aquellos que interesan. Ejemplos: 1.

78

7

34 Se

:La información que podemos extraer de esta representación es la siguiente: - Se trataría del Selenio (Se)

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- Tiene de número atómico 34 (Z=34, 34 protones) - Tiene de número másico 78: A=78, A-Z= N, N = 78-34=44 neutrones. - El número de electrones es igual al de protones dado que el átomo es neutro (no pone nada en la esquina superior derecha); por tanto al ser Z=34 tiene 34 protones y tendrá el átomo neutro 34 electrones (e-). 2.

78

34 Se

2-

: La información que podemos extraer de esta representación es la siguiente: - Se trataría del Selenio (Se) - Tiene de número atómico 34 (Z=34, 34 protones) - Tiene de número másico 78: A=78, A-Z= n, 78-34=44 neutrones. - El número de electrones no puede ser 34 dado que el átomo está cargado negativamente (ion negativo o anión). El número de electrones es 34 + 2 = 36 e- : 34 electrones (que equilibran a los 34 protones) más dos cargas negativas que tiene, véase esquina superior derecha.

8. MASA ATÓMICA. Como hemos visto antes, la masa de un átomo se atribuye prácticamente a la de los protones y neutrones que contiene, es decir, a lo que llamamos número másico (A). Pero ¿cómo medir una masa tan pequeña?. Dado que la unidad de masa en el SI es el kilogramo (kg), y es demasiado grande para medir la masa de un átomo, los científico han elegido una unidad más pequeña que se conoce con el nombre de uma (unidad de masa atómica). Para ello han procedido de la siguiente manera: •

En primer lugar, han escogido un átomo de referencia, el isótopo de carbono-12, 12C.

•

A continuación, han establecido que su masa sea 12 umas.

•

La unidad de masa atómica (u) es, por tanto, la doceava parte de la masa del átomo de 12C. (Si este átomo lo divido en 12 partes, cada una de las partes tiene una masa de 1 uma).

Las masa de los átomos, expresadas en u, son masas atómicas relativas, pues indican el número de veces que sus masas son mayores que la unidad de masa así establecida. Elemento químico

H

Be

C

N

O

Masa en u

1,0079

9,0122

12,0110

14,0067

15,9994

El que la masa de un átomo de oxígeno sea igual a 15,9994 u equivale a decir que es 15,9994 veces mayor que la unidad de masa atómica. La unidad de masa atómica (u) equivale a 1,66·10-27 kg; es decir, 0,00000000000000000000000000166 kg. Si un elemento tiene varios isótopos, el valor que se toma como masa atómica es el promedio de las masas, la masa media ponderada de los isótopos según su abundancia en la naturaleza. Partículas

Protón Neutrón Electrón

8

Masa

Carga

Real

Relativa

Real

Relativa

1,6726 ·10-27 kg

1,0073 u

+ 1,602·10-19 C

+1

1,0089 u

0

1,6750·10 9,109·10

-27

-31

kg kg

0,00055 u

- 1,602·10

0 -19

C

-1

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ACTIVIDADES A.1. Busca en la tabla periódica del libro y escribe el símbolo de los siguientes elementos químicos: cromo, paladio, carbono, titanio, cobre, cesio, potasio, uranio, arsénico y germanio. Indicando en qué grupo (columna) y periodo(fila) se encuentran. A.2. Busca y escribe el nombre de los siguientes elementos químicos, cuyos símbolos químicos son: Pb, O, Au, P, F, Pt, Xe, Mn, W y Mo. A.3. Busca en los apuntes cuales son los postulados sobre los que se sustenta el modelo atómico de Dalton y teniéndolo en cuenta representa los siguientes compuestos químicos de fórmula: CH4 , SO3, N2O y H2O. Nota:( representa los átomos como “bolitas de diferente color y tamaño”) A.4. Indica el significado de las siguientes fórmulas químicas: a) H2SO4 b) NaOH c) FeCl d) Li2CO3 d) HClO3 A.5. Rellena los huecos del siguiente cuadro: Elemento

Protones

Neutrones

Electrones

16

15

P I Ga

31

Z

A

53

127

39

Zn

30

65

A.6. Explica en qué consistió el experimento de Rutherford y los descubrimientos que hizo. Dibuja siguiendo el modelo atómico de Rutherford (modelo sistema solar) como sería un átomo de helio( 4 2He); oxígeno (16 8 O) y un átomo de carbono (12 6 C). A.7. Con la siguiente información : 42 He, 73Li, 2311 Na y 3517 Cl halla el número de electrones, protones y neutrones de los átomos de dichos elementos químicos. A.8. Conocemos los siguientes datos sobre los átomos A,B,C y D: A

B

C

D

13 protones

13 protones

14 protones

14 protones

14 neutrones

13 neutrones

15 neutrones

15 neutrones

a) ¿ Cuántos elementos químicos diferentes hay? b) ¿Cuáles pertenecen a isótopos diferentes del mismo elemento? b) Busca de que elementos se trata y represéntalos según AZ X. A.9. Rellena los huecos del siguiente cuadro: Elemento

Protones

Neutrones

F-

9

10

Ca2+ 3-

N

Cs

+

Electrones

Z

18 55

A

40 7

14 133

A.10. Halla la masa, en gramos (g), y la carga eléctrica, en culombios (C), de un conjunto de protones igual a 6,02·1023.

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Webś sobre el tema http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/m odelos.htm

http://newton.cnice.mec.es/unidadescursos.php http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/el_atomo/index.html

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/crookestube/index.html

Rayos catódicos http://averroes.ced.junta-andalucia.es/~jpccec/tablap/index.html

tabla periodica http://platea.pntic.mec.es/pmarti1/educacion/3_eso_materiales/b_iii/conceptos/conceptos_bloque_3_ 1.htm

sobre el tema

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