TEMA Nº2: ESTRUCTURA ATOMICA-I Y QUIMICA NUCLEAR

I. CONCEPTOS FUNDAMENTALES: ATOMO: es la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva las propiedades de dicho elemento; es un sistema dinámico y energético en equilibrio, constituido por dos partes (núcleo y envoltura o zona extra nuclear).

UBICACIÓN NÚCLEOZONA

EXTRA NUCLEAR

Partícula Protón Neutrón Electrón

Notación p, p+ n, no e, e-

Carga

Absoluta +1,602x10-19 0 -1,602 x10-19

Relativa +1 0 -1

masaAbsoluta 1,672x10-24 1,675x10-24 9,109x10-28

Relativa 1,0072 1,0086 0,00055

Descubridor Rutherford Chadwick Thomson

Nota: Partículas fundamentales: protón, electrón

y neutrón. Nucleones: protón y neutrón. Determina la masa del núcleo: protones y

neutrones. mproton = 1836melectron

El núcleo concentra la mayor parte de la masa del átomo por lo tanto es la parte más densa.

NÚCLIDOS: Es la representación del núcleo del átomo de un elemento químico con una cantidad de protones y neutrones definidos.

EZA

Z = numero atómicoA = numero de masaE = símbolo de un elemento químicoTIPOS DE NUCLIDOS

1. ISÓTOPOS: o Hílidos, son átomos que pertenecen a un mismo elemento químico, presentan diferente Nº de masa, diferente Nº de neutrones, pero igual Nº de protones.

Cl1735 ---- Cl17

37

2. ISÓBAROS: son átomos que pertenecen a diferente elementos químicos, se caracterizan por tener diferente número atómico, diferente Nº de neutrones pero tienen igual Nº de masa.

K1940

21 --- Ca2040

20

3. ISÓTONOS: átomos que pertenecen a diferentes elementos químicos, presentan diferente Nº de masa, diferente Nº de protones, pero tienen igual Nº de neutrones.

Na1123

12 ------ Mg1224

12

4. ESPECIES ISOELECTRONICAS: son átomos o iones con igual número de electrones.

Ca2040 +2 ; Ar18

40 ; P1531 -3

II. TEORÍAS ATOMICAS: A. MODELO ATOMICO DE DALTON: se baso en

4 postulados:1) Los elementos químicos están

constituidos por partículas muy pequeñas llamadas átomos que son indivisibles, impenetrables e indestructibles.

2) Los átomos de un mismo elemento son idénticos en todas sus propiedades, especialmente en tamaño y peso(masa).

3) Los átomos de elementos diferentes son totalmente diferentes en todas sus propiedades.

4) Los diversos compuestos químicos están formados por átomos combinados en proporciones fijas, estos se combinan de acuerdo a una relación aritmética sencilla.

B. MODELO ATOMICO DE THOMSON: Rayos catódicos: son electrones que se mueven del cátodo al ánodo, en línea recta, a una velocidad que llega a 150 000 km/s. Esto se comprueba en el tuve de descarga de William Crookes el cual contiene un gas enrarecido (bajas presiones) y con un alto voltaje.Thomson en 1867 demostró que dichos rayos se desvían dentro de los campos eléctricos y magnéticos y además son de naturaleza corpuscular (me = 0,00055uma).“Budin De Pasas”: constituido por una esfera son carga eléctrica positiva y en su cuerpo están incrustados los electrones.

Relación carga masa: qm

= -1,7x108 coulombgramo

Posteriormente Millikan determina la carga del electrón con el experimento de la gota de aceite: q(e) = 1,6x10-19 coulomb.

C. MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD: Núcleo atómico: Rutherford bombardeo una placa muy delgada de oro con partículas alfa y noto que la mayoría no cambiaba de dirección,

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algunas variaban su trayectoria y muy pocas eran repelidas.Modelo planetario: el átomo es hueco, tiene un núcleo positivo y los electrones giran a su alrededor así como los planetas giran

alrededor del sol. diametro atomodiametronucleo

= 10000.

Radiaciones electromagnéticas (r.e.m.) : resultan de la perturbación de un campo eléctrico y un campo magnético. No tienen naturaleza corpuscular y son solo energía.

a) Longitud de onda(λ): distancia entre dos

nodos no consecutivos más próximos.b) Frecuencia:

f = numerode ciclos

tiempo f =

1tiempo

c) Periodo: es el tiempo que demora una onda para atravesar un plano normal a la dirección del movimiento.

d) Velocidad: las R.E.M. en el vacio se mueven a la velocidad de la luz y su longitud con su frecuencia son inversamente proporcionales:

λ.f = c c = velocidad de la luz

D. TEORIA CUANTICA DE PLANCK: la energía es discontinua. La REM se propaga ondulatoriamente en forma de pequeñas cantidades de energía. Esta energía emitida o absorbida por un cuerpo es directamente proporcional a su frecuencia.

E=h . f y E=h .cλ

H = constante de Planck = 6,62x10-27 erg x s = 6,62x10-34 J x s

E. EFECTO FOTOELECTRICO:

La energía del fotón es desdoblada en dos:W0 = función trabajo que es la mínima energía para arrancar el electrón.

Ec = energía cinética del electrón emitido.(

Ec=12mV 2 ¿

V = velocidad

Energia incidente=hf =W 0+12mV 2

F. ESPECTRO ELECTROMAGNETICO Rojo λ= 700nm

Anaranjado λ= 650nm

Amarillo λ= 600nm

Verde λ= 550nm

Azul λ= 500nm

Indigo λ= 440nm

Violeta λ= 390nm

G. DUALIDAD DE BROGLIE:

λ= hmv

λ = longitud de onda; v = velocidad

m=masa .H. PRINCIPIOS DEL MODELO ATOMICO DE

BOHR:

1) Primer postulado (de la estabilidad del electrón y su órbita): en el átomo de hidrogeno el electrón gira alrededor de su núcleo positivo en una órbita circunferencial, de manera que al fijar nuestro sistema referencia en el electrón se verificara que todas las fuerzas que actúan sobre el resultan anularse.

F e = F cf conclusión: v=q√ k e

mR

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Siendo: v = velocidad tangencial del e-.q= carga eléctrica del e-=1,6x10-19

r= radio de la orbitam= masa del e-= 9,1x10-31

ke= cons. de coulomb = 9x109

2) Segundo postulado (de las orbitas permitidas): el electrón gira solo en aquellas orbita, donde se cumple que la cantidad de movimiento del electrón multiplicada por la longitud de la órbita resulta ser un numero entero de veces la constante de Planck.Cantidad de movimiento del e- = mvLongitud de la orbita = 2 r.πmv.2 r = nh , siendo n = 1,2,3,…π

Conclusión: rn=0,53n2 Å (para calcular

el radio de orbita).

vn=2,2 x108

ncm / s (Para calcular la

velocidad del electrón).3) Tercer postulado (de los niveles

estacionarios de energía): si el electrón gira en una misma orbita no pierde ni gana energía. No hay emisión ni absorción de energía.

Conclusión: En=−13,6

n2eV ó

En=−313,6

n2kcal /mol

4) Cuarto postulado (de las transiciones electrónicas): cuando un átomo salta de un nivel superior a otro inferior emite energía. En caso contrario absorbe energía, los cuales se manifiestan como fotones.

Conclusiones: ∆E¿ E I−E f y

∆ E=13,6eV [ 1nF

− 1n I ] donde:

EI = energía del nivel de inicio del salto.EF = energía del nivel final del salto.

I. SERIES ESPECTRALES DEL HIDROGENO:Las longitudes de onda de las diferentes líneas del hidrogeno se pueden asociar a los diferentes niveles de energía mediante:

1λ=Rh [ 1nf

2−1

nI2 ] siendo: n1<n2 (Nº

enteros de los niveles energéticos)

Rh = const. De Rydberg = 1,1x105 cm-1

Serie nf niRegión del espectro

Lyman 1 2,3,4,... UltravioletaBalmer 2 3,4,5,... Visible y UVPaschen 3 4,5,6,... InfrarrojoBrackett 4 5,6,7,... Infrarrojo

III. QUIMICA NUCLEAR: RADIOACTIVIDAD: fenómeno que se produce cuando debido a la inestabilidad del núcleo, éste se fracciona produciendo nuevos núcleos, emisión de partículas y emisión de energía.

PARTICULANOTACION

SIMPLIFICADA

NOTACION EN

ECUACIONES

NUCLEARESNEUTRON n n0

1

PROTON p p+11

ALFA α He24

(ELECTRON)BETA

NEGATIVOβ-(e-) β−1

0

(POSITRON) BETA

POSITIVOβ+(e+) β+1

0

NEUTRINO υ υ00

ANTI NEUTRINO υ υ0

0

DEUTERON d H+12

TRITION t H+13

GANMA (NO ES

PARTICULA)γ γ0

0

REACCIONES NUCLEARES:a) Decaimiento alfa

Un ejemplo de emisión de una partícula alfa es la del polonio, elemento descubierto por los Curie:

b) Decaimiento beta

Un neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón, reacción que puede escribirse de la siguiente forma:

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El electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso, el número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un protón), pero el átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial; por lo tanto, el número atómico aumenta en una unidad. Un ejemplo de decaimiento beta es:

c) Emisión gamma

La radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo. Su emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en el número atómico. Simplemente se trata de un núcleo excitado que libera energía de esta forma:

d) Emisión de positrones

Cuando un elemento radiactivo emite un positrón, el elemento que se forma tiene un número atómico menor en una unidad y el número másico permanece igual. Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva. Se representa como o bien debido a que tiene carga +1 y masa 0. Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder de penetración. Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón:

e) Captura de electrones:

Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su número atómico disminuye en 1, mientras que su número másico permanece inalterado. Ejemplos de este tipo de reacción nuclear son:

Al balancear una ecuación nuclear, se deberá cumplir que:

1. El número total de protones y neutrones en los productos y en los reactantes sea el mismo (conservación de la masa). 2. El número total de cargas nucleares en los productos y en los reactantes sea el mismo (conservación de la carga nuclear).

VIDA MEDIA:Se refiere al tiempo para que se desintegre la mitad de los núcleos radioactivos contenidos en una

muestra radioactiva. Se cumple: mf=mi

2n

Siendo mf = masa final; mi = masa inicial; n = Nº de periodos o vidas medias.

También: n=tt 1 /2

; donde t = tiempo total y t1/2

= tiempo de vida media.

Conclusión: log( mi

mf)=0,3 tt 1/2

FISION NUCLEAR: Ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos. Estos incluyen neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

U92235 + n0

1 → U92236 → Ba92

141 + Kr3692 + 3 n0

1 + E

FUSION NUCLEAR:Es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.

TRANSMUTACIONES NUCLEARES:

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Ciertos núcleos son bombardeados sobre otros núcleos específicos lográndose nuevos núcleos que pueden ser estables o inestables.

N714 + He2

4 → O817 + H1

1

O en forma abreviada: N714 ( ,p) α O8

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