Departamento de Ciencias y TecnologíaMiss Romina Vergara C.

Guía de Química

“Teorías y Modelos Atómicos”

Nombre alumno (a):____________________________________________ Curso____________

Objetivo: Reconocer los principales modelos atómicos a lo largo de la historia de la química y conocer sus características principales.

“Teorías y Modelos Atómicos”

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Indicaciones

La siguiente guía es complementaria a los contenidos tratados en clases, idealmente imprimirla (de lo contrario no hay problema), el desarrollo de esta se realizara paulatinamente y con la retroalimentación correspondiente.

Saint Gaspar CollegeMISIONEROS DE LA PRECIOSA SANGRE

Formando Personas Integras

TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

En 1808 el químico y físico Británico John Dalton postula:

1.- Cada elemento químico se compone de partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos. En todos los procesos químicos el número de átomos de cada elemento permanece constante ya que no pueden ser creados ni destruidos.

2.- Todos los átomos de un elemento químico tienen masa y propiedades físicas y químicas iguales, pero son distintos a los átomos de todos los demás elementos.

3.- En los compuestos químicos, los átomos de elementos diferentes están unidos entre sí en proporciones numéricas simples.

4.- Los átomos de los elementos pueden combinarse en más de una proporción entera y sencilla para formar más de un compuesto.

Este modelo explicó qué eran los átomos, pero no explicó otros hechos (Descargas eléctricas en gases a baja presión, la radiactividad, los espectros de emisión y la electrólisis). Se cuestionó que la estructura del átomo no podía ser tan sencilla.

En 1879 el químico inglés WILLIAMS CROOKES experimentó con tubos de vidrio al vacío y observó que se generaban descargas eléctricas al aplicarse altos voltajes sobre electrodos. La intensidad de la luminosidad y su color dependían de la descarga eléctrica y la naturaleza del gas dentro del tubo. A

partir de esto, Crookes postuló:

1. Los rayos luminosos se propagaban en línea recta.

2. Los rayos se desplazan desde el cátodo (electrodo negativo) al ánodo (electrodo positivo). Por esto se les llamó “rayos catódicos”.

3. Los rayos se forman por partículas capaces de transmitir energía, ya que se comprobó que tenían masa al calentar un cuerpo (molinete) y hacerlo girar al interponerlo en su trayectoria.

4. Las partículas que forman los rayos catódicos poseen carga eléctrica negativa (sufren desviación al acercarles un imán).

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MODELO ATÓMICO DE THOMSON

En 1897 Joseph John Thomson, un científico británico, complementó la investigación de Crookes y experimentó con los rayos catódicos aplicándoles un campo eléctrico. Descubrió que los rayos se desviaban al acercarse al polo positivo y alejarse del polo negativo. Como se representa en la figura.

Thomson concluyó que los rayos catódicos estaban formados por partículas negativas. A dicha partícula la llamó electrón y determinó que su carga eléctrica era negativa, no logró calcular la carga exacta, pero consiguió determinar que la relación carga - masa de los electrones es: 1,76x108

Coulombs. Descubre los electrones en 1897, antes que se descubrirse el protón y el neutrón. Es importante señalar que Crookes creó la metodología que permitió a Thomson descubrir al electrón.

Modelo atómico de Thomson (budín de pasas), 1904. El átomo es una masa de carga positiva con electrones de carga negativa insertos en él. Es una estructura estática, ya que las partículas subatómicas no presentan movimiento. La cantidad de cargas negativas de los electrones es la misma que la cantidad de cargas positivas de la esfera, por lo que se deduce que el átomo era neutro. Este modelo es muy simple y le falta fundamento físico, a partir de ello sigue la búsqueda de otros modelos.

Entre 1908 y 1917 ROBERT MILLIKAN, físico estadounidense que realizó una serie de experimentos para medir la carga del electrón y determinó que esta era de -1,6022 x 10-19 Coulomb. Gracias a ello y a la relación carga masa determinada por Thomson, calculó que la masa de los electrones corresponde a 9,1 X10-28 gramos.

En 1886, el físico alemán Eugen Goldstein descubrió las partículas subatómicas positivas (que más tarde se denominaron protones). Para ello realizó algunos experimentos con un tubo de descarga con el cátodo perforado, en el que observó que los rayos precedían del ánodo (electrodo positivo) y llegaban hasta el cátodo (electrodo negativo). Por lo tanto, analizó que estaban formados por partículas de carga positiva y que tenían una masa distinta dependiendo del gas que estaba encerrado en el tubo. A estos rayos los denominó rayos canales porque atravesaban las perforaciones del

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cátodo. Al experimentar con hidrógeno se consiguió aislar la partícula elemental positiva (protón), cuyo valor de carga es la misma que la del electrón, pero positiva y su masa es 1837 veces mayor.

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

Ernest Rutherford (1871 – 1940) fue un físico y químico neozelandés que ideó un modelo atómico más prudente con un experimento simple y de gran

precisión.

Determinó experimentalmente cuál era la partícula positiva presente en los átomos y determinó que su masa era mucho mayor que la del electrón.

Para realizar su experimento ocupó partículas alfa (carga positiva) las cuales eran proyectadas en láminas muy delgadas de metales (oro, plata, o magnesio) y en torno a esta placa se colocaron otras cubiertas con sulfuro de zinc para que se apreciaran destellos de luz cuando las partículas chocaran con esta

(debido a que no se podían observar los rayos de partículas). De todas las partículas alfa proyectadas, la gran mayoría atravesó la lámina sin problemas, pero algunas se desviaron. Debido a esto, Rutherford sugirió que el átomo ya no era una estructura compacta. Comprobó que la mayor parte de la masa del átomo estaba al centro, al que llamó núcleo. Éste estaba formado por protones y electrones girando alrededor. Además postuló que entre dichas partículas había una distancia, dado que las partículas alfa pasaban sin problemas.

Resultados y conclusiones:

- La masa del átomo se concentra en el núcleo y este es muy pequeño, ya que sólo algunas partículas alfa fueron repelidas al chocan con este. Es por ello que se deduce que la mayor parte del átomo es espacio vacío (El tamaño del núcleo es 100.000 veces más pequeño que el átomo completo.

- El núcleo del átomo es positivo, puesto que algunas partículas alfa se desviaron al pasar cerca de él (cargas de igual signo se repelen).

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- Los electrones deben estar en continuo movimiento, pues no interfieren en el paso de las partículas alfa, ni son atrapados por el núcleo.

- Demostró que el átomo no es la partícula más pequeña de la materia.

Modelo atómico de Rutherford (o modelo planetario) < Rutherford también postula que el núcleo debe contener otra partícula además de los protones, que sólo aporta en la masa del núcleo, y por lo tanto, no posee carga.

< La principal limitación de este modelo es que no da información de cómo se distribuyen los electrones, ni explica el hecho de que los átomos emitan o reciban energía, no aclara qué ocurre con la atracción entre el núcleo y los electrones girando a su alrededor, ya que los electrones se acercarían tanto por la atracción hacia el núcleo, que acabaría por

destruirlo.

Más tarde, en 1932 el físico inglés JAMES CHADWICK descubre los NEUTRONES.

MODELO ATÓMICO DE BOHR Niels Bohr (1885 – 1962) busca la justificación para explicar que el núcleo y el electrón no se atraen, ya que si esto ocurriera el electrón empezaría a proyectarse rápidamente al núcleo hasta destruirlo. Después de un desarrollo matemático concluyó los siguientes aspectos:

1.- Existen niveles de energía permitidos, que van desde nivel 1, hasta el infinito.

2.- Hay órbitas estacionarias en las cuales se mueve el electrón (no hay cambios de energía en estas órbitas).

3.- El electrón puede saltar de un nivel de energía a otro, sólo si se le entrega cierta cantidad de energía (en valores enteros y no en fracciones).

4.- Cuando el electrón pasa de un nivel menor a uno mayor de energía, el proceso se llama absorción. Si va de uno mayor a uno menor, se llama emisión.

5.- Para que ocurra ese salto entre los niveles, deberá procurar una frecuencia tal que concuerde con esa diferencia energética.

Bohr propone un modelo donde los electrones se desplazan en órbitas y en el núcleo se encuentran los protones y neutrones. Las órbitas más cercanas al núcleo, tienen un número menor, partiendo desde “1”.

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La gran desventaja del modelo atómico de Bohr fue que no pudo ser aplicado a todos los átomos (sólo funcionaba para el hidrógeno). Además seguía asumiendo un átomo plano, que necesariamente debía tener volumen.

Actividad. Complete el siguiente esquema

II. Responda las siguientes preguntas1. Etimológicamente la palabra “átomo” significa: A) Constituyente de la materia B) Contenedor de energía C) Sin división D) Partícula eléctrica E) Partícula compuesta

2.- Corresponde a un postulado establecido por John Dalton A) Los átomos contienen protones y electrones.

B) Los átomos presentan una naturaleza eléctrica.

C) Los átomos son indivisibles y no se pueden crear, ni destruir.

D) La materia está formada por aire, agua, tierra y fuego.

E) El átomo encierra una gran cantidad de energía.

3. Los rayos canales poseen: A) Carga eléctrica positiva. B) No tienen carga eléctrica.

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C) Carga eléctrica negativa. D) Masa pequeña comparada con la de los rayos

catódicos. E) Masa igual a la de los electrones.

4. Los rayos catódicos son un flujo de: A) Protones B) Cationes C) Neutrones D) Electrones E) Átomos 5. Por convención se establece que el electrodo

positivo se denomina. A) Catión B) Anión C) Electrón D) Ánodo E) Cátodo

6. El término griego ion (ienai) significa “ir”, entonces: A) Anión es un ion positivo, porque va al ánodo. B) Catión es un ion negativo, porque va al

ánodo. C) Anión es un ion positivo, porque va al cátodo. D) Catión es un ion positivo porque va al cátodo. E) Ninguna de las anteriores.

7. En relación a los rayos catódicos, no corresponde

A) Se pueden considerar como un flujo de electrones

B) Se desplazan del ánodo hacia el cátodo C) Se desplazan en línea recta D) Poseen carga eléctrica negativa E) Están formados por partículas con energía

cinética 8. La secuencia correcta para relacionar a cada científico con su respectivo descubrimiento debe ser 1. Dalton ( ) el neutrón 2. Thomsom ( ) carga y masa del

electrón 3. Goldstein ( ) teoría atómica 4. Chadwick ( ) el electrón 5. Millikan ( ) el protón

A) 2–3–4–5–1 B) 2–1–5–4–3 C) 3 – 4 - 2–5–1 D) 4 – 2 – 3 – 1 – 5 E) 4–5–1–2–3

9. Al comparar los electrones con los protones, se puede afirmar que ambos:A) Presentan masas similares.B) Viajan de cátodo a ánodo en un rayo catódico C) Tienen igual energía cinética.D) Se repelen debido a sus cargas eléctricas. E) Se ubican en el núcleo

10.El modelo planetario de Rutherford no aclaraba: A) La existencia de un núcleo. B) Que la masa del átomo se concentra en el

núcleo. C) Que el núcleo de un átomo es positivo. D) La existencia de una partícula sin carga. E) La estabilidad del átomo ni la atracción

electrón-núcleo.

Respuestas 1. C 4. D 7. B 10. E 2. C 5. D 8. E 3. A 6. D 9. D

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El átomo

- Origen del concepto de átomo: Demócrito (S. IV a.C) “sin división”

- Estructura Atómica: Los electrones se encuentran en los orbitales atómicos, mientras que los protones y

neutrones se ubican en el núcleo. La masa de neutrones y protones es prácticamente idéntica, en cambio, la

de los electrones es 1836 veces menor. Según varios científicos (Thomson, Rutherford, Bohr, Goldstein,

Millikan y Chadwick):

- Los átomos son neutros, debido a que presentan la misma cantidad de protones y de electrones. Propiedades de las partículas subatómicas

Partículas Subatómicas

Símbol o

Ubicación en el átomo

Masa (Kg) Carga (Coulomb)

Protones p+ Núcleo 1,67 x 10-27 + 1,6 x 10-19

Neutrones n Núcleo 1,68 x 10-27 0

Electrones e- Alrededor del núcleo

(corteza)

9,11x 10-31 - 1,6 x 10-19

Los elementos químicos presentan dos números en la tabla periódica, el mayor de ellos representa el número

atómico (tiene decimales) y el menor es el número másico (es un número entero).

Número atómico (Z)

- Representa la cantidad de cargas positivas de los átomos (protones) Z =p+

- Cuando el átomo es neutro también es equivalente a la cantidad de electrones

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Z = e-

Número másico (A): Es la masa de un átomo, por lo tanto, viene dada por la suma de la cantidad de

partículas subatómicas que presenta. Pero como la masa de los electrones es despreciable, la masa del átomo

está concentrada en su núcleo y se determina al sumar los protones y neutrones.

Para determinar la cantidad de neutrones de cada elemento químico se resta el número másico con el número

atómico.

Actividad 1: Identifique cantidad de protones, neutrones, electrones del cloro, número atómico, número

másico (aproxime su valor para que no tenga decimales) y especie (catión, anión o átomo neutro).

Cl Z= ___ p+=____ e-= ____ A= ____ n= ____ Especie: ____________

En la naturaleza, los átomos se pueden unir para formar compuestos distintos al tener desigualdad de cargas

positivas y negativas. A aquellos átomos con carga se les denominan iones. Pueden ser:

- Cationes: iones positivos (átomos que han perdido electrones) Ej: Na+, Al+3

- Aniones: iones negativos (átomos que han ganado electrones) Ej: Br-, S-2

Realice el mismo ejercicio anterior para el ión cloruro (Cl-)

Cl- Z= ___ p+=____ e-= ____ A= ____ n= ____ Especie: ____________

El ión Cl- deriva del Cl, que gana un electrón y por eso queda con carga negativa (anión), tiene 18 electrones.

22,9 Na Z= ___ p+=____ e-= ____ A= ____ n= ____ Especie: ____________

Na Na+ Z= ___ p+=____ e-= ____ A= ____ n= ____ Especie: ____________

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Respuestas:

Cl Z= 17 p+= 17 e-= 17 A = 35 n= 18 Especie: átomo neutro Cl- Z= 17 p+= 17 e-= 18 A = 35 n= 18 Especie: anión Na Z= 11 p+= 11 e-= 11 A = 23 n= 12 Especie: átomo neutro Na+ Z= 11 p+= 11 e-= 10 A = 23 n= 12 Especie: catión

9

17

Cl 35,4

n = A – Z

A = p+ + n

Actividad 2: Con la ayuda de su tabla periódica complete los siguientes datos.

Na Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: _____ n: _____

Na+ Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: _____ n: _____

Cl Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: _____ n: _____

Cl- Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: _____ n: _____

Ca+2 Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: _____ n: _____

X Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: 27 n: 14 Símbolo del elemento: ____

X-3 Z: _______ p+: _____ e-: ______ A: 27 n: 14 Símbolo del elemento: ____

Nucleidos: Isótopos, isóbaros e isótonos

Isótopos: Son elementos químicos iguales que tienen diferente número másico, pero igual número atómico y por lo tanto, la misma cantidad de protones.

Isóbaros: Son elementos químicos diferentes que tienen el mismo número másico, pero distinto número atómico.

Isótonos: Son elementos químicos diferentes, que tienen distinto número másico, distinto número atómico, pero la misma cantidad de neutrones.

La masa atómica (A) es la masa de un átomo, se mide en unidades de masa atómica (uma). Pero como no

todos los átomos de un elemento químico poseen la misma cantidad de neutrones, la masa atómica es un valor

10

1H 3

1H 2

1H 1

18Ar

40

20Ca

40

5B 12

7N 14

promedio, por lo que suele no ser un número entero. Este valor se ha determinado según el promedio de los

porcentajes de abundancia de cada isótopo multiplicados por su masa según la siguiente ecuación:

Masa at. promedio = (% abundancia isótopo1 x Masa isótopo1) + (% abundancia isótopo2 x Masa isótopo2) 100

Si hay más isótopos, se deben seguir incorporando en la secuencia.

Actividad 3: Seleccione la alternativa que considere correcta.

1. Un elemento tiene número másico 37 y 20 neutrones. Por lo tanto su número atómico es

a) 17 b) 20 c) 34 d) 57 e) 37

2. Uno de los componentes más dañinos de los residuos nucleares es un isótopo radiactivo del estroncio 90Sr38, puede depositarse en los huesos, donde sustituye al calcio. ¿Cuántos protones y neutrones tiene este elemento? a) 90 protones, 38 neutrones b) 38 protones, 90 neutrones c) 38 protones, 52 neutrones d) 52 protones, 38 neutrones e) 52 protones, 90 neutrones

3. Los átomos X, Y, Z y R tienen las siguientes composiciones nucleares:

186X410 183Y410 186Z412 185R412 ¿Cuáles pares

corresponden a isótopos?

a) X, Y b) X, Z c) Y, R d) R, Z e) R, X

4. ¿Cuál(es) de las siguientes sentencias es o son verdadera(s) con respecto a los isótonos?

a) Tienen diferentes elementos químicos, distintos números másicos, pero igual número atómico.

b) Tienen diferentes elementos químicos, distintos números atómicos, pero igual número másico.

c) Se da entre los mismos elementos químicos.

12 13

d) B C son isótonos. 5 6

e) Presentan igual número atómico.

5. El bromo es el único no metal que es líquido a temperatura ambiente. Considere el isótopo 35Br81

y seleccione la combinación que corresponde a su número atómico, número de neutrones y número másico respectivamente. a) 46, 26, 35 b) 35, 81, 26 c) 81, 46, 35 d) 46, 81, 35 e) 35, 46, 81

6. El uranio tiene 2 isótopos: 0,72% de uranio-235 (235U) (masa=3,902 · 10-22g) y 99,27% de uranio-238 (238U). (masa= 3,953 · 10-22g) ¿Cuál es la masa relativa promedio del uranio? a) 3,952 x 10-22g b) 3,924 x 10-20g c) 2,809 x 10-22g d) 2,846 x 10-22g e) 3,938 x 10- 21g

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7. Los isótopos se diferencian en: a) Su carga eléctrica. b) Su posición en el sistema periódico. c) Su número de electrones. d) El número de neutrones. e) El número atómico.

8. ¿Cuál(es) de los siguientes pares es o son isótonos?

16 17

I. N O 7 8

11 12

II. N C 7 6

14 14

III. C N 6 7

a) Sólo I b) Sólo II c) I y II d) I y III e) I, II y III

9. ¿Cuál(es) de los siguientes pares son isótopos?

239 241

I. Pu Pu 94 94

241 228

II. Ra Ra 88 88

14 14

III. C N

6 7

a) Sólo I b) Sólo II c) I y II d) I y III e) II y III

10. ¿Cuál(es) de los siguientes pares es o son isóbaros? 17 17

I. N O 7 8

11 12

II. N C 7 6

14 14

III. C y N 6 7

a) Sólo I b) Sólo II c) I y II d) I y III e) I, II y III

Respuestas

1. A 4. D

2. C 5. E

3. B 6. A

11. El Neón tiene masa atómica de 20,2 Uma y se ha determinado que uno de los isótopos tiene un número másico de 20 Uma y que el otro cuyo número másico se desconoce tienen una abundancia de 10%. Por lo tanto, el número másico del isótopo desconocido es

a) 20 b) 21 c) 22 d) 10 e) 90

12

7. D 10. D 8. A 11. C9. C

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Actividad 4: Ahora complete los siguientes datos sin la ayuda de su tabla periódica.